（电力电子与电力传动专业论文）逆变电源控制方案的研究与实现.pdf

a b s t r a c t浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o ls i t u a t i o no fi n v e r t e r si s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r b a s e d o nt h e a n a l y z i n ga b o v e ，t h ep r o b l e m i ni n v e r t e rc o n t r o li s p u tf o r w a r d ，n a m e l y l e s s s a t i s f a c t i o no f g o o d s t a t i ca n d d y n a m i cr e s p o n s es i m u l t a n e o u s l y a i m a tt h e p r o b l e m ， an o v di n v e r t e rc o n t r o ls c h e m eo fd s p - b a s e d v o l t a g ea n dc u r r e n td u a l1 0 0 pc o n t r o l w i t hm p e i l i l v ec o n t r o l i e re m b e x l d e di sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h i ss c h e m ec a n a c h i e v et h es a t i s f a c t o r ys m i l ea n dd y n a m i cr e s p o n s e ，a n dc a nb eu s e di no c c a s i o no f h i 曲q u a l i t yv o l t a g ew a v e f o r m t h es c h e m ei sr e a l i z e di nav e h i c l ei n t v e r t c r r e p e t i t i v ec o n t r o li su s e dt o r e d u c ev o l t a g ed i s t o r t i o nu n d e ra b r u p tl o a dv a r i a t i o no rn o n l i n e a rl o a d sa n da t t a i n g o o dq u a l i t yo ft h ev o l t a g ew a v e f o r m ；c u r r e n tl o o pi s d e s i g n e dt oq u i c k e nt h e d y n a m i cr e s p o n s ea n ds t r e n g t h e nt h ea b i l i t yo ft h ei n v e r t e rc o n t r 0 1 t h i ss c h e m e i s a p p l i e d t os o l v et h ep r o b l e m so ft h e p r e v i o u sa n a l o gs c h e m e o f v o l t a g el o o pc o n t r o l i nt h ei n v e r t e r , n a m e l yt h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ei n v e r t e rf a i l e do f fc l e a r l yw h e nt h e i n v e r t e rw a sf u l l yl o a d e da n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ei n v e r t e rw a ss l o wi n l i g h t - l o a ds t a t e t h es c h e m e i sp r o v e dv a l i di nt h e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：i n v e r t e rc o n t r o l ；w a v e f o r mo p t i m i z a t i o n ；m p e i l f i v ec o n t r o l ；d s p 第2 页 第一章逆变电源控制概况 逆变电源的控制根据不同的划分方法有不同的内容 按照实现方法划分f 萎攀粼 按照控制方法划分 按照控制策略划分 电压瞬时值单环反馈控制 电流瞬时值单环反馈控制 电压电流双环反馈控制 空间矢量控制 p i d 控制 l无差拍控制 滑模变结构控制 模糊控制 重复控制 其相互之间又是紧密关联着的，例如：电压单环反馈控制方法中，闭环的控 制策略可以采用p i d 控制，也可以采用无差拍控制、滑模变结构控制、模糊控制 及其重复控制；而上述控制策略中有些策略可以通过模拟实现，也可以通过数字 实现，如p i d 控制等。下面对上述内容作一具体介绍。 1 1 逆变电源控制方法介绍 下面将对三种逆变器控制方法作具体阐述，分别电压瞬时值单环反馈控制， 电流滞环控制，电压电流双环反馈控制。另外电压空间矢量控制暂不作详细介绍。 1 1 1 电压瞬时值单环反馈控制 电压瞬时值单环反馈控制主要是针对电压平均值反馈控制存在的一些问题 而提出的，即采用电压平均值反馈控制，系统动态响应速度缓慢，负载适应性差。 为实现输出电压的波形控制，采用了电压瞬时值反馈控制策略，其结构如图1 - 1 所示。 第4 页 第一章逆变电源控制概况浙江大学硕士学位论文 基准正弦信号 给定电压 图1 一l 逆变器电压瞬时值单环反馈控制结构图 逆变器输出电压经采样变压器降压后，一路进入平均值电路，其输出与电压 给定相比较，产生的误差信号经p i 电压调节器，输出信号与正弦调制信号相乘， 用以调节正弦调制信号的幅值，所得结果作为瞬时值反馈的基准，与采样变压器 的另外一路输出相比较，产生的误差信号与三角波载波进行比较，得到s p w m 控制信号，用来驱动i g b t 开关管。 1 1 2 电流滞环控制 和电压反馈控制方式相比较，电流反馈控制是一种新颖的控制方法。电流控 制方法旨在解决电压控制策略难以实现的问题，如电源系统输入输出电流的可控 性。实现电流型控制策略的电路方式很多，本文中介绍一种电流滞环跟踪控制方 法。其结构图如图1 - 2 所示。 第5 页 第一章逆变电源控制概况浙江大学硕士学位坌塞 图1 - 2 电流滞环跟踪控制电路框图 滞环电流控制方式的特点如下： ( 1 ) 系统具有快速的瞬态响应：由于电流反馈作用，当输入直流电压波动或负载 突变引起的输出电压变化时，都将引起电感电流变率的变化，使功率器件的 开关点产生变化，从而改变输出电压波形； ( 2 ) 系统具有较高的稳定性：与电压单环反馈控制系统的二阶系统不同，电流单 环反馈控制系统是一个一阶系统，是一种无条件稳定系统； ( 3 ) 容易防止变压器偏磁现象：在电流型控制方式中，每个开关周期都自动调整 电流脉宽以保证变压器伏秒值平衡，因而可以避免偏磁现象； ( 4 ) 开关频率不固定：由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时间， 因此滞环控制的开关频率并不固定。这使得电路工作的可靠性下降，对系统性能 不利。 1 1 3 电压电流双环反馈控制 第6 页 塑二童查童皂塑墼型堡猩塑堑盔兰堡圭堂堡垒塞 正弦电压给定 图i - 3 逆变器电压电流双环反馈控制电路框图 图l 一3 为具有电压外环和电流内环控制的电压源半桥逆变电路。 电压外环采用瞬时值反馈，对输出电压的瞬时误差给出调节信号，该信号经 p i 调节后作为电流控制给定；电流内环由电感电流瞬时值与电流给定比较产生 误差信号，与三角波载波比较后产生s p w m 信号。由此可见，应用中采用电流内 环之外还设置电压外环的目的在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制，即 电流幅值可控。其控制波形如图1 - 4 所示。 第7 页 筮二童垄童皇塑篓型煎堡 堑垄盔堂堡圭堂丝监塞 0 图1 - 4 电压电流双环反馈控制s p w m 信号的生成 1 2 逆变电源控制策略介绍 随着控制芯片性能的日益增强，尤其是有个高性能的d s p ，才有可能将无差 拍控制、重复控制、变结构控制、模糊控制、神经网络控制及一些智能控制思想 应用到逆变电源的控制系统之中，也就有了今天的逆变电源控制策略的众多成 果，使得逆变电源的性能、可靠性不断提高。下面介绍逆变电源的一些主要控制 策略。 1 2 1 p i d 控制 p l d 控制以其简单、参数易于整定等特点，广泛应用于工程实践中。早起的 逆变电源控制，多为模拟p i d 控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，采用p i d 控制器进行调节，其性能特别是动态性能及负载为非线性时，不会令人满意，为 此，把输出电感电流及滤波电容电流的瞬时值引入了控制系统，使得逆变电源的 输出性能得到了较大的改进。然而，庞大的模拟控制电路使得系统的可靠性下降， 测试复杂。d s p 的出现，这个问题迅速解决。 第8 页 蔓= 雯耋查皇婆墼型竖婆塑坚盔堂塑主堂垡丝 1 2 2 无差拍控制 无差拍控制是一种基于微机实现的p 州方案。它根据逆变电源系统的状态方 程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。无差拍控制有着 非常快的暂态响应，当负载突然变化时，只要几个开关周期就可以调整输出电压， 输出能够很好的跟踪给定值；波形的畸变率小，即使开关频率不是很高，无差拍 控制也能够得到较好的输出波形品质；无差拍控制能够使得输出电压的相位与负 载关系不大，它通过调节逆变桥的输出相位来补偿l c 滤波器的相对延时。但是， 无差拍控制的自身缺点也十分明显：无差拍控制系统的鲁棒性不强，当负载变 化，非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成控制系统 的不稳定或输出性能恶化；系统的误差与调制比输出的l c 等有关；瞬态超 调量大。 1 2 3 滑模变结构控制 滑模变结构控制系统最大的优点是其对参数变化及外部干扰的不敏感性，即 强鲁棒性，加上其固有的开关特性，特别适用于电力电子的闭环控制之中。早期 的逆变电源的滑模变结构控制多采用模拟控制技术，这存在控制硬件电路特别复 杂、控制功能有限的弱点。微处理器的应用能够减小滑模变结构控制器的复杂性， 但是连续滑模控制器的设计方法不能直接用于离散滑模控制器的设计，微处理器 的离散采样可能会导致系统的震动或系统的不稳定。所以，需要离散滑模控制技 术，它完全不同于常规的连续滑模控制理论。 滑模控制有着明显的优点：快速性和强鲁棒性，但也存在控制系统稳态效果 不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。 1 2 4 重复控制 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统 的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原 理。逆变电源的重复控制的主要目的是为了克服整流型负载引起的输出波形周期 性的畸变。重复控制一般和其他p 州控制方式相结合，用来改善输出电压波形， 重复控制的思想是假定前一个周期出现的基波波形畸变将在下一个基波周期的 i 司一时刻重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信 第9 页 蔓= 童堂黧垒婆羹墅堡堡塑瓿鑫兰壅圭兰垒鎏塞 号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除尉 蕊备周期中将出现的重复性畸变。 重复控豢l 麓够夔褥系统获撵覆努瓣静态经藐，荔予实褒，毽泼授拳帮不簏够 获得好的动态性能。 1 ，3 。逆变电源输出波形的改善措施介绍 1 3 1 多重化结构 盎慕鳖疲建场合，茏冀凌大察量条 夸下，需要矮多台遂交器联合_ 王终，可以 通过主电路多重化结构来抑制输出电压的谐波含量。豳1 - 5 所示三相多重化逆变 电路结构，它由6 个全桥电路组成，第一组含，一u ，t - v 和j w 三个单相众 i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ r 一 n j n 再j lz 一舅lj 1 一ri j lj zli r s t 0 隧1 - 5 三稽多重亿逆交电路结梅 桥电路；第二组含，一x ，i - y 和，一z 兰个单相全桥电路。第二缀各相电压分 菇漳瑟于第一缝茁惩弧瘦。嚣逶姿邃撵交篷器交纯，靛各摇毫髓滋毫歪疆餐分 第l o 剪 别满足以下关系 。：。u：=艺v：=ewx x ：z ：乙。= a = 艺= e = 乙 u = 以x 。j 按照图示连接方式，输出端各相电压为 u r 0 2 “+ 吒一咒f “s 0 2 v + y b z a u t o2 w + 乙一毛j 由于各相均采用单相全桥电路结构，故可用桥内移相调压方式，图i - 6 对应 于移相角口= z 1 3 的电路波形。 一j 气 “由 “彤 _ ：乩 2 石 ii i - 什阿 r ：巩 il坑崩 l ill | tll i iiiiii i i 。ii - i ： i r ，1 - 一 图1 - 6 三相多重化逆变电路波形 第l l 页 第一章逆变电源控制概况浙江大学硕士学位论文 对相电压和线电压进行傅立叶级数展开，分析可得各次谐波含量明显降低。 综上所述，采样多重化结构时，只要适当选择各重之间的相位差，输出变压器变 比和输出变压器副边绕组的连接方式，就可以改善输出波形，减少谐波含量。 1 3 2 p w m 技术的优化 一倍频式p w m 在普通p w m 逆变电路中，器件开关频率与输出电压载波频率相等。所谓倍 频式p w m 逆变电路是指输出电压的载波频率，c 是逆变桥功率器件开关频率矗 的2 倍，即 1 c = 1 s 此式表明，倍频技术能够缓和谐波抑制与效率提高之间的矛盾，而且其实现 仅需适当安排逆变器件的控制脉冲时序。 与普通单极性s p r , 柑逆变电路的差别是倍频式单极性s p w m 逆变电路包含两个 载波信号“。和“。：，且有 “c 22 一“c l 正弦调制信号与“。的交点形成相位互补的脉冲序列。和。；与“。：的交点 形成另一对互补的脉冲序列“，：和“。，。 二谐波抑制方法 目前应用的消谐波p w m 技术有直接选择开关角法和等脉宽法两种，下面仅讨 论直接选择开关角法。控制输出电压脉冲列的电角度以消除单相逆变器输出电压 中某些危害较大的谐波( 一般都希望消除较低次谐波) ，控制基波分量的大小，这 就是所谓谐波抑制方法。下面以一个例子进行说明： 图1 7 中有3 各斩切角，若希望在图中消除3 、5 次谐波，即希望u ，= u 。= 0 ， 只要求解三角联立方程即可 c o s 3 a i c o s 3 0 r 2 + c o s 3 c q2 0 c o s 5 c c o s 5 + c o s 5 吗= 0 垒墼( c o s q _ c o s 锡+ c o s 码) = u l ( 口) 石 一 第1 2 页 篓：萋垄冀整望墼鳖攫漫照壁型圭兰望鲨塞 求殡上述方程搭到三个开关捐煮嘎，啦，强的信，以这些开关煮控制逆变器， 就可以嶷现逆变器输出电压中3 、5 次谐波为零，基波电压为。 巩 垃： jl i r 一1i _ _ 一 石2 芹 峦 膨1 a 2 嘞 图1 7 谐波抑制方法示意瞬 1 3 3 附加输出滤波器 l + 滤波器的一般形式鼹一个由l c 组成的无源网络，如图i - 8 所示。 耀1 - 8 输玲潦游器酶一鞭形式 第1 3 页 i 2 3 b 嘭 蚴咿 嗲 够 夔= 耋鍪煮蹩蒌墼型慧婆黧婆盔兰篓童竺堡垒褰 其王终骧爨是串联瓣五最电鼹在基羧下呈枣联谐振状态。焱理想状态下，对 基波不产生压降，对高次谐波则攫高阻抗，抑制搿次谐波电流；相反，并联的厶g 电路对藏波呈谐振状态，对高次谐波贝艇低阻抗，从而旁路高次谐波电流。因此， 从负载端看，其基波分压比接近于1 ；对高次谐波则接近于0 ，从而起到抑制离 次谐波，降繇失奏度熬髂霉。 2 选择输出滤波器参数必须考虑的因索： 滤浚器的滤渡髓力廒满足t h d 的要求； 在满足t h d 的前掇下，滤波器的跫寸和重壤应尽可能小； 滤波嚣塞端迄压瓣韵态睃澎特性不超遗灸诲范蘸。 3 。滤波系数配与总失粪度t h d 的关系： 滤波器豹滤渡戴力爆滤波系数k s 来餐爨，对滤波爨人端邀珏“巾第n 次谐波麴 滤波系数耳。定义为在空载条件下 = 老 式中，以滤波入端电压第1 1 次谐波有效值； u 0 滤波器鼢精电压第n 次谐波有效值。 又囊定义总失爽度 t h d = 土1 7 ( 吒) j 1 0 0 v l 口n 域 式中，c 。滤波器出端电压基波分璧有效傻； 盯0 滤波器出端电压第n 次谐波有效值； 慰笨i 1 次谐渡黪正弦失冀度是 t h d n = 琵姆o o 盼静茜，老蛆o o 铪去茜u 蚶o o h 沁u ，u u 恼k f 。t 当，i = 1 时，k i 。= 1 ，对单相全桥方波邀变电路，有以，u = l l n ，代入上式可得 t h d 2 衰 第1 4 贞 箜二童堂变电源控制概况浙江大学硕士学位论文 上式表明，置n 值越高，豫哦越低，若取n = 5 ，q s = 3 ，代人可得珏哦= 西i 即经过滤波器，5 次谐波的有效值为基波的1 1 5 。 1 4 逆变电源输出波形优化方法简介 本节将讨论几种旨在改善优化逆变电源输出波形的控制方法，这些方法在实 际项目中已经得到验证。 1 4 1 重复控制与瞬时值反馈控制结合的控制方法 为了获得高质量的正弦输出电压波形，提出了很多基于调制策略的控制方 法。单开环控制方法无法满足负载突变时动态特性的要求，因此引入了各种各样 的闭环控制方法，用于改善系统动态性能。 综上，考虑采用基于重复控制与瞬时值反馈控制的逆变电源控制策略，重复 控n n 5 = 保证稳态波形的质量，瞬时值反馈控制则用于加快系统的动态响应过 程，且只需要检测输出电压一个量。控制框图如图1 - 9 所示。 重复控制器 r 。一一一一一 图1 - 9 瞬时值反馈控制与重复控制结合控制框图 第1 5 页 第一章逆变电源控制概况浙江大学硕士学位论文 1 4 2 状态反馈控制和重复控制结合的控制方法 带l c 滤波器的逆变电源在空载时具有很强的振荡倾向，单独采用输出电压 反馈难以获得较好的动态特性。传统的模拟式双环控制方案通过设置电容电流内 环提高了系统的动态特性。 基于上述，提出状态反馈控制方法，它利用输出电压和电容电流反馈，可以 任意配置系统的闭环极点，从而获得满意的动态特性。另外，由于此方法采用了 状态观测器，因而无需增设专门的电容电流传感器。重复控制是一种十分有效的 波形校正技术。为改善状态反馈控制的稳定性能，提高波形质量，利用重复控制 技术对以上系统进行改进。实验可以验证，采用状态反馈控制和重复控制结合的 控制方法，逆变器兼具良好的动、静态性能，能满足高性能场合的要求。 1 状态反馈控制 图l 一1 0 状态反馈控制示意图 选择逆变器输出电压u 和滤波电容电流为状态变量，根据图1 - 1 0 ，如果系 统控制量u ( k ) 按照以下反馈控制规律给出： “( 女) = u c k ) = “w k x ( k ) 式中，“。正弦参考电压； 足反馈增益矩阵，k = k ak ：】 则闭环系统的状态方程变成： x ( k + 1 ) = ( a b k ) x ( k ) + b u r e t 闭环极点由矩阵( a b k ) 的两个特征值决定。所以，合理选择反馈系数k l 和 如，就可以将闭环极点配置在适当的位置，从而使系统具有理想的动态性能。 第1 6 页 第一章逆变电源控制概况浙江大学硕土堂焦堡塞 2 重复控制 当要求状态反馈控制兼顾稳态性能时，可以采用专用于改善稳态性能的重复 控制技术。 在原有系统的基础上，采用嵌入式重复控制结构，如图1 - 1 1 所示。 图l 一1 1 重复控制结构框图 p ( z ) 是已设计好的状态反馈控制系统，重复控制器由周期延迟正反馈环节、 延迟环节z “、比例环节e 以及补偿器s ( z ) 组成。 1 5 逆变电源控制存在的问题 1 5 1 模拟控制的缺陷 1 因采用大量的分散元件和电路板，导致系统的可靠性下降 各元件本身就是一个小系统，由于元件存在老化及热漂移等问题，自身系统 的不稳定甚至失效，会导致整个电源系统的可靠性下降；元件都焊接在电路板上， 电路板的布局、布线不合理，也会使电源工作在恶劣的环境下，难以使其在最佳 状态运行，这也会影响整个电源系统的寿命； 2 调试困难 由上可知，电源系统由大量元件组成，是一个庞大的系统，某个元器件出了 问题，导致电路难以工作，寻找起来费时费力；同样，电路板的布置不合理，使 电源出现软故障，即电路可以工作，但效率不高，工作环境恶劣，这种故障排除 也相当困难； 3 产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制逆变电源，若不改动硬件，升级 第1 7 页 。塑二墨望堑皇婆塑型堑堡塑堑盔堂堑圭鲎焦堡塞 是不可能的，每一个新型的电源系统都要求重新设计； 4 某些好的控制策略通过模拟方法实现困难，如重复控制，模糊控制等。 1 5 2 逆变电源输出稳态特性、动态性能及系统鲁棒性的兼 顾 在逆变电源实际设计中，往往是突出稳态特性、动态性能和系统鲁棒性中的 一个方面，在某一方面选取一种好的方法来解决问题，如重复控制在保持逆变电 源输出波形的稳态特性和质量方面效果明显，而其动态响应较慢；无差拍控制、 滑模控制及状态反馈控制有着快速的暂态响应，但无差拍控制鲁棒性较差，滑模 控制和状态反馈控制稳态效果不佳。 第1 8 页 第二章带重复控制器数字双环控制方案 2 1 方案的提出 由前面分析可知，重复控制在改善逆变电源输出电压波形的质量方面有很好 的效果。但其动态响应速度较慢，调整波形甚至可能需要一个以上的基波周期时 间，这与逆变电源动态性能要求相去甚远。而改善逆变电源动态性能的一个非常 有效的方法就是电流控制策略。综上，提出基于d s p 带重复控制器电流电压双环 反馈控制方案。此方案拟采用数字方法实现。方案如图2 1 所示。此方案在一车 载逆变电源上得到验证。见第四、五章。 重复控制器 图2 - 1 基于d s p 带重复控制器电流电压双环反馈控制方案 输出电压经采样变压器、分压网络( 蜀) 后，与基准正弦波信号作差，通 过重复控制器算法作为电流采样的基准；对输出滤波电感的电流进行采样，经过 比例系数墨后，与电流基准信号经p i 后作为调制信号，与三角波载波信号进行 比较，产生s p w m 驱动信号。重复控制器可以使逆变电源输出电压的稳态误差为 零，抑制电压跌落；电流环可以提高逆变电源的动态响应特性。 第1 9 页 第二章带重复控制器数字双环控制方案堑垄盔堂塑圭堂垡堡奎 2 2 d s p 简介 2 2 1 数字控制的优点 数字控制相对于模拟控制的诸多优点： 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高， 性能更完善； 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路； 控制系统的可靠性提高，易于标准化可以针对不同的系统，采用统一的控制板， 而只是对控制软件做一些调整即可； 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便的通过r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接口及 u s b 接口进行调试； 系统的一致性较好，成本低，生产制造方便。 易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行 逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在 模块之间更好的进行均流控制和通讯，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源 并联运行系统； 2 2 2 d s p 简介 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专 用处理器在当今的数字化时代背景下，d s p 已成为通信、计算机、消费类电子产 品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。 1 d s p 的发展历程 d s p 芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的，它是建立在数字信号处理 的各种理论和算法基础上的。d s p 技术的发展经历了三个阶段，7 0 年代、8 0 年代 和9 0 年代。 第一个o s p 儆g l ：理器i n t e l 2 9 2 0 出现在1 9 7 6 年，接着是1 9 8 2 年的a m d 2 8 1 1 ， n e c 肛p d 7 7 2 0 ，德州仪器公司的t m s 3 2 0 1 0 。2 8 1 1 和7 7 2 0 两者都有片上阵列乘法器， 都有可编程r o m 和相对小的数据和程序寻址空间。3 2 0 1 0 是第一个可全速从片外 r a m 执行指令的微处理器，且容纳的程序也比7 7 2 0 大一个数量级。第一阶段的d s p 具有下列特点：指令流水，有效的寻址模式，有子程序调用和地址传递协议；使 第2 0 页 第二章带重复控制器数字双环控制虚差塑堑盔兰型主堂堡迨塞 用h a r v a r d 结构，可同时取指令和数据；特殊的d s p 相对寻址模式( 如变址计算任 意数的模式) ，对t f i r ( f i n i t e l e n g t hi m p u l s er e s p o n s e ) 的滤波器自动循 环队列或数据移动，对t f f t 的比特反转；附加的寻址a l u ；对于特殊应用的接口 ( 如对于通信编码的串行接口) 。d s p 系统主要由分立元件组成，包括线性电路 模拟前端、模拟数字转换器和外围界面电路、一大堆的组合电路、可编程的阵列 逻辑( p a l ) 及可编程只读存储器( p r o m ) 、存储器及个别处理器。当时的d s p 技术在医疗电子、生物电子、应用地球物理等领域获得应用。 进入8 0 年代，随着数字信号处理技术应用范围的扩大，要求提高处理速度， 到1 9 8 8 年出现了浮点d s p ，执行浮点算术运算和乘累加，女h a t & td s p 3 2 c ， m o t o r o l ad s p 9 6 0 0 2 ，t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 等，同时提供了高级语言的编译器。这 种d s p 是一种专用的综合性微处理器，能够告诉输入和输出数据，专门处理以运 算为主的信号处理应用系统。如电话p c m 传输和程控交换中大量使用的语音处理， 数据传输用的调制解调器，计算机的硬盘驱动器等。 到了9 0 年代，d s p 技术发展十分惊人，以d s p 作为主要元件，再加上外围设备 和特定功能单元综合成的单一芯片，加速了d s p 解决方案( d s ps o l u t i o n d s p s ) 的发展，同时产品的价格降低，运算速度和集成度获得提高，9 0 年代d s p 揭开了 计算机、通信、消费类、汽车、军事等电子市场的新纪元，这些技术也反过来促 进了数字信号处理器的发展和需求。 2 d s p 的应用领域 d s p 应用广泛，其主要应用市场为3 c ( c o m m u n i c a t i o n 、c o m p u t e r 、c o n s u m e r 一 通信、计算 机、消费类) 领域，合占整个市场需求的9 0 。 数字蜂窝电话 数字蜂窝电话是d s p 最为重要的应用领域。由于d s p 具有强大的计算能力，使 得移动通信的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸女h g s m 、c d m a 等全数字蜂窝电 话网。由于采用d s p 技术，蜂窝电话的更新换代变得更为容易，只需在统一的硬 件平台基础上，通过软件的不断升级而生产出各式各样的新款手机。 m o d e m 在m o d e m 器件中，d s p 更是成效卓著。5 6 k b p s 的m o d e m 才问世三年，最近又开 发日j a d s lm o d e m ，其传输速率已高达6 3 m b p s ，且具有接收动态图像能力。a d s l m o d e m 不仅可以使更多的用户上因特网，而且使以前需1 0 分钟下载的文件变得只 需短短的5 秒钟。 p c 机 第2 l 页 整三童堂重塞量型墨墼圭型墅堇型直塞塑垄盔堂堡圭堂垡堡塞 可编程多媒体d s p 是p c 领域的主流产品。以x d s lm o d e m 为代表的高速通信技 术与m p e g 图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实 现实时交换。目前的硬盘空间大得简直是“海量”，这主要得益于c d s p ( 可定制 d s p ) 的巨大作用。预计在今后的p c 机中，一个d s p 即可完成全部所需的多媒体处 理功能。 消费类电予产品 d s p 是消费类电子产品中的关键器件。由于d s p 的广泛应用，数字音响设备的 更新换代周期变得如此短暂。用于图像处理的d s p ，目前已形成一个品种不少的 产品群。一种是j p e g 标准的静态图像数据处理d s p ；另一种是用于动态图像数据 处理的d s p 。 3 d s p 的市场规模 d s p 市场正处于高速成长的阶段。在数字化、个人化和网络化的推动下，1 9 9 7 年世界d s p 市场营销额超过3 2 亿美元，预计未来的年均增长率高达4 0 ，按照这一 增长速度，至2 0 0 7 年，世界d s p 市场营销额将突破5 0 0 亿美元。在全球d s p 产品市 场中，t i 公司独占鳌头，占世界市场4 5 的份额，其次是朗讯( 2 8 ) 、a d i ( 1 2 ) 、 摩托罗拉( 1 2 ) 、其他公司( 3 ) 。 t i 独占鳌头 t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司是d s p 业界公认的龙头老大。t i 产品遍及全球， 每2 个数字蜂窝电话中就有1 个采用t i 产品，全世界9 0 的硬盘和3 3 的m o d e m 均采 用t id s p 技术。1 9 9 7 年，t i 公司的两项重大投资项目夯实了其地位不可动摇。 一是设立1 亿美元的风险基金，支持那些需要启动资金的d s p 应用企业，为掀起d s p 的应用高潮打下坚实的基础。二是启动2 5 0 0 万美元的全球大学科研基金，用于支 持各高校的d s p 教育。t i 已在国内十余所大学建立了d s p 实验室和技术中心。可以 这么讲，t i 将未来的前途押在d s p 事业上。 朗讯不甘示弱 朗讯( l u c e n t ) 公司的d s p 业务主要集中在通信产品上，在看好g s m 移动电话 市场的同时，已经将目光移向下一代移动通信系统c d m a 。在下一代a d s lm o d e m 的开发工作中，朗讯也不甘示弱，目前已投入该市场。 a d i 紧追不舍 a d i ( a n a l o g d e v i c e si n c 模拟器件公司) 紧紧瞄准d s p 技术的发展方向，不 断开发新产品，并声称在每一个d s p 市场上与1 r i 公司较量，力争成为d s p 业界的 i n t e l 。a d 喇定了一系列计划并进行了广泛宣传，以通过大量消费类设备来定位 第2 2 页 自己的客户对象和应用方向。a d i 另一个重要目标是车载移动电话设备，在该领 域，a d i 处于领先地位。 4 d s p 四大厂商芯片性能比较 3 2 b i t 定点运算d s p t it k s 3 2 0 c 3 0m o to r 0 1 ad s p 9 6 0 0 2 指令周期n s；6 0 5 0 6 0 ，t 4 一一一“- 。_ 一一 片内存储器 片外寻址 片上外设 a d f l s p 2 10 2 0a t 矗td s p 3 2 4 0 ，5 0 。6 68 0 ，i 0 0 4 k x 3 2 b r 0 p i k x 3 2 b r a h p 3 2 x 4 8 b c a s h e3 2 5 1 2 2 3 2 b l 壁翌蝇竖一。幽2 鱼嬲 o d r a m2 x 5 i 2 x 3 2 b d r o h2 x 5 1 2 x 3 2 b i 5 3 2 b3 x 4 g x 3 2 b 净日8 ， 点3 2 ：熟毫胡藤旦一 2 定时器3 2 b pi 6 融4 8 b4 m 、“3 2 b d4 g x 4 0 b l 定日虹t 蝇、j 彰1 6 3 2 串 封装 卫j 腆一一1 2 j 堕生燕蛭q 聒 2 2 3 p g i l f p q f p l 4 聃e p 13 3 p g a 8 8 p l c c 浮点睦选螺；) i 姗。一墨四一一 1 0 2 4 点f f t ( 贼l 一1 j0 2 5 1 0 4 7 ，一一一 3 0 0 0 t 7 6 6 0 1 9 表2 - 1d s p 四大厂商3 2 位定点运算d s p 芯片性能比较 1 6 b i t 定点运算d s p r it i s 3 2 0 c 2 5 时雅o l ad s p 5 6 0 0 0：a d d s f 2 l 叩 a t a td s p l 6 指令周期 一l o 翅蟪 一鲫7 蛳= 一一 i 晒j 2 5 n = 7 堡! ! 曲一p ! ! 蔓! 1 6 b 片内存f 诺嚣蹦l 垦担型鱼磷绷j 。j 量蔓舅皇曼哩一一一pi k x 1 6 b p 型曼! 驰一 。 。曼2 x 一2 5 6 1 2 1 女e 丛一 片外寻址 片上少 设 乘法嚣i f 0 d2 x 2 5 6 x 2 4 b r o 面互交i 正点面五 二二 p1 6 kx2 4 b 一6 4 k x16 b = 二二二j 一一一i 照一点啦2 一一圆二! 堡1 2 业 一一一一一一j 一一一一里! 鲤1 1 2 4 b 一一。一一。一一一一一一一 ：2 串 i 6 b 3 曲 i 串1 并 2 4 b 4 8 b 2 串i 定时 1 6 b ，3 2 b l 卓l 鼻 1 8 b 1 3 2 b 表2 - 2d s p 四大厂商1 6 位定点运算d s p 芯片性能比较 第2 3 页 2 3 重复控制器 2 3 1 逆变电源重复控制原理 在电压单环逆变电源实际运行时( 模拟电路) ，逆变电源空载到满载电压跌落 较大；负载为非线性时输出电压波形畸变明显。为解决这个问题，拟采用重复控 制策略。如上所述，重复控制基于内部模型原理，即在随动系统中，若产生参考 输出信号的模型被包含在稳定的闭环系统内，那么该系统的输出就能无静差地跟 1 踪输入信号。针对上述逆变电源，在其控制器中植入内模：g 。( s ) = _ 二万，其 l e 中l 为逆变电源的输出基波周期；该内模可对在每一基波周期内重复出现的信号 进行逐周期累加。当这样一个环节被置于反馈系统的前向通道时，它起到的作用 和积分器相似：都是对误差的一种累加。只不过重复控制器是对误差进行以周期 为步长的累加。若系统是稳定的，可实现稳态波形误差为零。当误差为零时，其 1 输出不为零，而是维持上次输出不变。其离散化模型为：g ( z ) = _ i ，其中 l z k 为每基波周期的采样次数。 2 3 2 直接重复控制器 上述重复信号发生器，可看作是以周期为步长的纯积分环节，它虽然可理论 上无静差，但却对系统的稳定性和鲁棒性不利，系统参数的稍微变化或建模稍有 r ( z ) 图2 - 2 直接重复控制方案 第2 4 页 整三童堂重复墼型墨墼主墅蕉型直塞堑婆盔堂塑堂焦堡塞 调整，都将导致闭环系统失去稳定。因此，实际系统多采用经改进的重复信号发 生器。如图2 - 2 所示：此为一种常用的改进方案直接重复控制方案。 a 前馈通道重复控制利用了扰动的重复性来逐周期地修正输出，使控制系统既 不需要进行多变量采样，也不用很高的控制速度和很复杂的算法，就可以达到很 高的稳态指标。但原理的局限性使它无法将动态响应调节时间缩短到小于一基波 周期的数量级。为此我们引入前馈，如图2 - 2 所示。图中重复信号发生部分相当 于一个辅助控制器，它产生一个逐周期的补偿信号来修正参考给定。 b 补偿器c ( z ) 补偿器c ( z ) 是针对控制对象p ( z ) 而设计的。其主要作用是： ( 1 ) 将对象中的低频增益校正为1 或略小于l ； ( 2 ) 抵消由控制对象所产生的谐振峰值，使之不破坏稳定性； ( 3 ) 增强前向通道的高频衰减，提高稳定性和抗干扰能力。 c ( z ) 与图2 - 2 中的a 配合，使对象a c ( z ) p ( z ) 的幅值等于1 或略小于l 。在实际 ，2 应用中，c ( z ) 常被设计为2 阶低通滤波的形式c ( s ) = 了兰l 了。它产生的 s + z o j s 十脚 相位滞后在后续控制环节中进行适当的补偿。 c 滤波器q ( z ) 重复控制中的等效纯积分环节，相当于q ( z ) = 1 ，为避免闭环系统因此失去 稳定性，实际q ( z ) 常常被设计成略小于l 的常数如o 9 5 或低通滤波形式。当选 用低通滤波时，q ( z ) 的一般形式为q ( z ) z “，其中k 为一周期内系统采样次数， z “为对低通滤波的相位滞后补偿。采用滤波器后，重复控制每次都将上周期 的值消减一定幅度后再作累加，从而产生静差，即系统是以牺牲无静差为代价来 换取稳定性的提高。 d 相位补偿 由于假定指令和扰动都是周期重复的，所以本来很难实现的超前控制可以通 过延迟至下一周期的适当时刻来获得。例如在本周期将控制量延迟( k 一8 ) 拍， 等效于在下一周期提前8 拍实施。故可用滞后环节z 一，z “来实现超前控制。 上图中，z “位于重复控制器开始的通道上，用于补偿由控制对象p ( z ) 所造成的 相位延迟，而a z “加在重复控制器最后，用于补偿由控制对象和补偿器c ( z ) 所 第”页 鼬训蜀一阱氓善 掣每完成一次采样掰对应的裰角度数。 2 3 。3 。改进重复控制器方案 如图2 - 3 所承的改进方案： 图2 - 3 改进熏笈控制方案 其中滤波器q ( z ) 采厢= 阶低通滤波结构，由于低道滤波可保证基波频率处 的增益接近1 ，使系统的熬波跟踪特性近似达到无静差。与直接熬复控制相比， 系统增加了个蕊续毙镌舔节，著穆枣 楼器e z ) 曩移裂了控裁对象兹，箕曩豹 楚消除高颓干扰的影响，掇高系统的稳定性。此外，在滤波q ( z ) 处增加了稿位 超前量g ，用以补偿q ( z ) 带来的相位滞后。 零文选露瑟2 - 3 示懿改遴凝数字重复撩勰方案。 第2 6 贳 2 4 电流环 实际应用中，可以把输出滤波电感的电流f l 作为样值( 如图3 - 4 ) ，也可以 取输出滤波电容的电流值t 。滤波电容电流是输出电压的微分“。= 。鲁) ，代 表输出电压的变化趋势，具有前馈的特性，相当于提前对电压的变化趋势进行校 正，以达到改善系统动态性能的目的。由图3 4 可知，电感电流f ，等于电容电流 f c 与输出负载电流乇之和，即l = c + ，而反应输出电压k 的变化，在电感电 流变化中可以看成一稳定的正弦常量，因此，从本质上看，取f l 或者f c 作为电流 采样值效果相同，即电感电流反馈也具有前馈的特性。考虑到将电感放入电流内 环可以简化电压外环的设计，因此可以采用取电感电流i 。作为电流取样值。检测 电感电流的方法有： 使用一个电流传感器。增加一个电流传感器，加大了系统的复杂性和成本； 在电感支路串入一小电阻，取电阻上的电压值，将电流采用转化为电压采样。 如图2 4 所示： 本文拟采用图2 4 所示的方法。 图2 - 4 电流检测电路 第2 7 页 整三童主塾堂童鱼翌塑堡垦垦壹燕型查垫 堂堑盔兰堡主鲎垡堡塞 第三章车载逆变电源制作及原有控制方法 上述基于d s p 带重复控制器电压电流双环反馈控制在一车载逆变电源上得 到验证，下面介绍一下此车载逆变电源的电路结构和原有控制方法，及其此方法 存在的问题。 3 1 逆变电源性能指标及电路框图 3 11 性能指标 输入：直流( 蓄电池) 2 4 v ，要求在2 0 3 0 v 范围内输出稳定； 输出：交流1 1 0 v 有效值的稳定电压，频率5 0 h z ； 电压偏差： u 。时，半桥的上管导通，下管关断；当u ， 死区对输出电压的影响 随着死区时间的增大，输出电压基波幅值下降。 2 ，死区对输出电压谐波含量的影响 理想的$ p w m 波形除含有载波频率及其边带中的高次谐波外，低次谐波几乎 不存在。然而，死区的引入使得低次谐波不能完全被消除。计算机仿真结果表明， 死区产生的主要是低奇次谐波。输出电压t h d 随着死区时间的增大而增高。 3 3 3 逆变控制部分 1 控制框图 第3 7 页 整豢整主墼垂窑皇婺趔堡壁堡壹墼型童蓬受婆杰茎蔓圭堂垡墼 呵司 匡到 | 莛滚接黼毫蓦| i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 僳护l 信号l 0 坦锢固 圈3 1 0 逆变控制电路擐辫 2 振荡和分频电路 逆变控制的频率发生器，即振荡分频电路如图3 1 1 所示 嚣3 一l l 掇荡分簇毫黯 振荡电赂选用f a i r c h i l d ( 仙童) 半龆体公司的l m 5 5 5 c n 芯片，通过外接的电 隧( 毫) 、毫察( e ) 分立纛侮，哥产雯定频率懿方渡振荡信号，频率豹诗舞公 式为：，= 当2 西i 1 忑4 瓦4 面一代人数值可得，f = 4 0 擞。 第3 8 荑 簦篓燕主夔垄窑鱼鬻趔焦墨堕壹墼墅发蓬 堑黧鑫兰堡圭堂垡焦塞 通过调节r 、c 可改变5 5 5 的输出频率； 分簇元终逸