基于高性能AD变换器和DSP的电源设计

3 数字控制方案

本系统采用双环控制的PID调节。PID控制以其简单、参数易于整定、发展成熟之特点，广泛应用于工程实践之中，逆变电源的控制也不例外。双环控制既保证了系统的稳态特性，又可以提高系统的动态性能。

3．1 数字PID算法

PID控制是应用最广泛的一种控制规律，PID表示比例(proportional)一积分(intergral)一微分(differentia)。设PID调节器如图3所示。

调节器的输出与输人之间为比例积分一微分的关系，即：

若以传递函数的形式表示：

其中：Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；Kp为比例系数；Kd=Kp/Ti为积分系数；Kd=KpTd为微分系数。

在计算机控制系统中使用的是数值PID调节器，就是对式(1)的离散化，离散化时，令：

其中：丁是采样周期。

显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。由式(4)和式(7)可得到：

式(8)即数字PID调节器的输出输入关系式。

PID算法蕴含了动态过程中过去、现在和将来的主要信息。其中比例(P)代表了目前的信息，起校正偏差的作用，使过程反应迅速。微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。积分(1)代表了过去的信息，他能消除静差，改善系统的静态特性。因此，设计好的PID控制器有动态响应快、稳态精度高、鲁棒性强的优点，是工程实践中应用最为广泛的一类控制器。对于逆变电源，由于空载的SPWM逆变器近似于临界振荡环节，积分作用会增加相位的滞后，这样会对系统的稳态性能产生负面的影响，所以在设计瞬时值反馈的PID控制器时总是采用比例控制(P)或者比例微分(PD)控制。

3．2 数字控制方案

控制系统的框图如图4所示。

该系统包括2个控制环：外环为电压有效值控制环，内环为输出电压瞬时值反馈环。外环进行数字滤波，得到输出电压的有效值；和输出有效值给定Vrms,进行比较，其误差信号再经由PI控制器进行调节控制标准正弦波信号的给定值的幅值。逆变电源通过有效值外环控制，理论上可以做到输出电压有效值稳态无差，该控制环的目的是为了保证当负载变化、系统受干扰后维持输出电压有效值的稳态不变，即保证系统的输出电压稳态精度。内环为输出电压瞬时值反馈控制环，该环对输出电压的瞬时值进行控制，使得输出电压跟踪给定的正弦波，维持输出的良好正弦性，为了保证系统有足够的稳定裕度，该环的控制器多采用比例(P)控制器，或者比例微分(PD)控制器。该环的主要作用是为了保证输出电压的正弦性，克服干扰对输出电压波形的影响，改善控制系统的动态性能和稳态性能。