基于DSP和增量式PI电压环控制的逆变器研究

摘要：研究了一种基于数字控制的逆变器，该方案采用电压瞬时值环控制，以提高输出稳定性，同时兼顾输出动态性能。反馈电路中采用增量式PI法则，并对PI增量及PI输出进行限幅控制,避免因误扰动造成输出的不稳定，进一步确保系统的稳定性与动态性能。采用TMS320LF2407A来实现算法，并进行了一个输出最大值为200V，输出功率为500W的逆变器实验。

关键词：逆变器；电压环控制；增量式PI；DSP控制

0 引言

目前，逆变器应用最为广泛的PWM技术中，SPWM控制具有很多优点。其控制技术主要有电压瞬时值单环反馈、电流瞬时值单环反馈、电压电流双环反馈环控制及电压空间矢量控制。电压环使系统有较好的稳定性，瞬时值反馈则增强系统的动态性能[1]。电压环采用PI控制，其中比例环节及时反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。相对于位置式控制，增量式控制误动作影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉；且手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换；同时其算式中不需要累加，比较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果[2]。

相对于数字控制，传统的模拟控制已暴露诸多缺点：需要大量的分立元器件和电路板，制造成本比较高；大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂；模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。随着微处理器的可靠性与质量的不断提高，数字控制已经在逆变控制中占据着主导地位[3]，本文提出了一种基于DSP控制的方案。

1 逆变器建模

单相全桥逆变器如图1所示，E为输入直流电压，S₁～S₄为开关管，L为滤波电感，r为电感等效内阻，C为滤波电容，R为负载。

图1 单相全桥逆变器

将电感用L_s表示，电容用1/C_s表示，可推导出输出电压V_o（s）与AB两点间电压V_i（s）之间的传递函数G（s）如式（1）所示。

G（s）==（1）

忽略电感等效内阻，则式（1）可简化为

G（s）=（2）

在一个开关周期中，当S₁及S₄导通时，v_i为－E；当S₂及S₃导通时，v_i为E。由于开关频率与输出频率相比为400，故一个开关周期中可以用平均值代替瞬时值。

v_i=ED＋(－E)(1－D)=(2D－1)E（3）

本方案采用双极性SPWM，故

D=（4）

式中：v_m为正弦波信号，v_m=V_msinωt；

V_tri为三角载波峰值。

则调制比M为

M=（5）

将式（5）代入式（3）可得

v_i≈（6）

转化为频域有

（7）

由式（7）与式（1）可得式（8）

（8）

此即逆变器输出传递函数，由此可得逆变器的等效框图如图2所示。

图2 逆变器等效框图