基于DSP的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器

Abstract: In this paper, a DSP-based power conditioner system’s controller for fuel cell power plant is studied. The power conditioner system is important for the power plant to run reliably, efficiently and high quality. The power conditioner system is consisted of inverter circuit and digital control system mainly. Here, the hardware and soft of the digital control system is studied in the paper. The waveform control technic for inverter is studied based on the designed DSP embeded controlling system. It is testified by the experiment’s results that the DSP embeded controlling system designed in the paper satisfies the functions requires of the power conditioner system. Moreover, the digital controlling system is reliably and has well output waveform.

Key Words: power conditioner system; embeded microcontroller; inverter; sliding mode control

1. 引言

燃料電池是直接將原料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電力的“化學(xué)能發(fā)電”或者“分子能發(fā)電”的發(fā)電裝置。燃料電池能量轉(zhuǎn)換率高，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響幾乎為零，在能源緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重的當(dāng)今，用燃料電池電站替代部分火力發(fā)電是很有意義的。燃料電池輸出電壓范圍比較寬,電壓比較低，輸出特性軟,必須經(jīng)過(guò)變換器改善其輸出電壓特性；它提供的是直流電，應(yīng)用中大多數(shù)場(chǎng)合卻需要交流電，即需要變換為交流電以供應(yīng)用。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能就是把燃料電池直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的三相交流電。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電站系統(tǒng)的可靠、高效率和高質(zhì)量運(yùn)行有很重要的作用^［1-3］。

數(shù)字化控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制方法；數(shù)字化控制系統(tǒng)靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的協(xié)同控制，甚至可以在線修改控制算法和參數(shù)，而不必改動(dòng)硬件線路，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。數(shù)字化控制系統(tǒng)的控制方案集中體現(xiàn)在控制程序上，而微處理器一般具有豐富的片內(nèi)外資源。硬件資源配置確定之后，只需修改軟件，就可以提高原來(lái)系統(tǒng)的性能，或更換控制算法。DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成，并通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期里完成多條指令；同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序和數(shù)據(jù)總線，允許同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，取指和執(zhí)行能完全重疊進(jìn)行；采用多級(jí)流水線和內(nèi)置高速硬件乘法器，使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。DSP以其強(qiáng)大的指令系統(tǒng)和接口功能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通用數(shù)字處理、通訊、語(yǔ)音處理、圖象處理、儀器儀表、軍事和尖端科技等方面。近年來(lái)，DSP在自動(dòng)控制領(lǐng)域也獲得廣泛應(yīng)用。DSP芯片已經(jīng)成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)的主要處理器了。在燃料電池電站功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，DSP嵌入式系統(tǒng)主要完成電壓和電流信號(hào)的反饋運(yùn)算、PWM波形輸出、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)、系統(tǒng)通訊等功能。文章對(duì)基于DSP的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行研究^［4,5］。

2. 數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由主電路和控制部分組成，這里僅對(duì)控制部分進(jìn)行研究?？刂撇糠钟刹蓸?、嵌入式微控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)等模塊組成。下面對(duì)控制部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1　嵌入式微控制系統(tǒng)

采用TI公司的高性能的32位定點(diǎn)DSP微處理器TMS320F2812為核心的嵌入式控制系統(tǒng)。F2812是TI公司信號(hào)處理及控制用的2000系列DSP的高端產(chǎn)品，它有最大達(dá)150MIPS的處理速度；片上存儲(chǔ)器有128K16位FLASH、18K16位SRAM、4K16位BOOT ROM和1K16位OPT ROM；它還有許多數(shù)字I/O口及實(shí)用的高性能片上外設(shè)。嵌入式控制系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示，該系統(tǒng)處理速度快、程序空間大、功能齊全，并且結(jié)構(gòu)很精簡(jiǎn)^［6］。

圖2.DSP嵌入式控制系統(tǒng)

2.2　采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)為嵌入式控制系統(tǒng)提供反饋控制信號(hào)，反饋信號(hào)的不失真、及時(shí)是數(shù)字控制系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。采樣系統(tǒng)由傳感器、濾波、信號(hào)調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換等部分組成。傳感器采用霍爾元件，它是一種能隔離主電流回路與控制電路的電檢測(cè)元件，具有精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)性能好、工作頻帶寬等特點(diǎn)的傳感器。濾波采用硬件濾波和數(shù)字濾波接合的方式，其中硬件濾波采用LC低通濾波器。由于F2812DSP的AD模塊的輸入電壓范圍是0～3伏，所以必須把傳感器的輸出信號(hào)電壓從1.5伏平移到0～3伏才能與DSP的外設(shè)接口相連。為防止沖擊信號(hào)對(duì)DSP的外設(shè)接口的影響，電位平移電路之后需要加限幅電路才能接AD轉(zhuǎn)換模塊，最后再進(jìn)行數(shù)字濾波。

2.3　PWM驅(qū)動(dòng)電路

可靠地驅(qū)動(dòng)并保護(hù)主電路功率開(kāi)關(guān)管是數(shù)字控制系統(tǒng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。這里PWM驅(qū)動(dòng)采用瑞士Concept公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)板2SD315A。該SCALE驅(qū)動(dòng)板采用ASIC設(shè)計(jì)，用15V電源驅(qū)動(dòng)，具有高可靠和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。根據(jù)2812DSP的片上PWM模塊、主電路IGBT器件和2SD315A的數(shù)據(jù)手冊(cè)，設(shè)計(jì)了PWM驅(qū)動(dòng)電路。

3. 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件

數(shù)字控制系統(tǒng)軟件是集中體現(xiàn)數(shù)字化控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制方法、控制系統(tǒng)靈活、系統(tǒng)升級(jí)方便等特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)的地方。文章采用TI公司的集成軟件開(kāi)發(fā)工具CCS2.2，采用C語(yǔ)言為主，加部分匯編語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件控制流程如圖2所示。

圖2.控制系統(tǒng)流程

3.1　軟件的主要算法設(shè)計(jì)

DSP嵌入式控制軟件要實(shí)現(xiàn)的功能主要有PWM算法與輸出、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全運(yùn)行控制、采樣信號(hào)數(shù)字濾波、輸出波形控制等。其中，波形控制技術(shù)是功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的主要技術(shù)指標(biāo)，而且是DSP嵌入式控制軟件的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文波形控制選用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制最大的優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)參數(shù)變化及外部干擾的不敏感性，即強(qiáng)魯棒性。加上其固有的開(kāi)關(guān)特性，特別適合應(yīng)用于電力電子的閉環(huán)控制之中的^［7,8］。DSP微處理器實(shí)現(xiàn)的離散滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠使得逆變電源輸出波形有著良好的暫態(tài)響應(yīng)，下面分析與設(shè)計(jì)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的三相逆變器輸出波形滑模變結(jié)構(gòu)控制。

當(dāng)有中線存在時(shí)，三相逆變電路中各相的電壓、各相的電流相互獨(dú)立，系統(tǒng)有 6 個(gè)獨(dú)立變量存在，若取逆變器輸出相電壓 u0a、u0b、u0c、和電感電流 i1a、i1b、i1c 作為狀態(tài)變量。電站輸出是三相380伏交流電，每?jī)上嗖ㄐ沃g相差120度相位。輸出控制時(shí)三相是分別控制的，所以，系統(tǒng)可以看作三個(gè)相同的單相系統(tǒng)，系統(tǒng)之間相位相差120度。為了方便，只研究A相，其它兩相參數(shù)相同。根據(jù)基爾霍夫電流定律與電壓定律，可以列寫(xiě)出以下 2 條方程：

4. 實(shí)驗(yàn)

利用上面設(shè)計(jì)的DSP嵌入式微控制系統(tǒng)，組成功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)50KW的燃料電池電站進(jìn)行輸出控制。電站的基本參數(shù)及性能要求如下：輸入直流電壓300V；輸出3相380V，50HZ，50KW；濾波電容30uF；濾波電感700uH；等效阻抗0.1Ω；實(shí)驗(yàn)負(fù)載20KW。得到實(shí)際輸出控制效果如圖3所示。

圖 3　輸出電壓波形圖

圖3中，a圖是三相平衡負(fù)載時(shí)A相的相電壓；b圖是A相滿載、其它兩相空載時(shí)的相電壓；圖c是空載的B相的相電壓波形圖。

5. 結(jié)論

本文研制了基于DSP的燃料電池電站功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)是嵌入式數(shù)字控制模式，具有控制系統(tǒng)軟件修改、升級(jí)方便，控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。采用滑模變結(jié)構(gòu)策略的輸出波形控制對(duì)參數(shù)變化及外部干擾的不敏感性，即強(qiáng)魯棒性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，電站系統(tǒng)在負(fù)載劇烈變動(dòng)的情況下輸出電壓穩(wěn)定。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：基于DSP的燃料電池電站功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的輸出波形控制算法。

參考文獻(xiàn)：

［1］[日]電氣學(xué)會(huì).燃料電池發(fā)電21世紀(jì)系統(tǒng)技術(shù)調(diào)查專(zhuān)門(mén)委員會(huì).（謝曉峰，范星河 譯），燃料電池技術(shù),化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2004.3

［2］E. Santi, D. Franzoni, A. Monti, D. Patterson, F. Ponci, N. Barry, Barry, N, A fuel cell based domestic uninterruptible power supply. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002.

［3］Cheng K.W.E., Sutanto D, Ho Y.L. and Law K.K, Exploring the Power Conditioning System for Fuel Cell. 2001. PESC. 2001 IEEE 32nd Annual Volume 4, 17-21 June 2001. pp. 2197~2202

［4］謝力華，蘇彥民.正弦波逆變電源的數(shù)字控制技術(shù).電力電子技術(shù),2001（12）：52～60

［5］侯偉，王麗芳.基于DSP的感應(yīng)電機(jī)變壓變頻控制系統(tǒng)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005， 1：83-84

［6］張衛(wèi)寧.TMS320C28系列DSP的CPU與外設(shè).清華出版社，2004

［7］Utkin V I. Variable structure systems with sliding modes, IEEE Transaction Automatic Control, 1977, 22(2). pp. 212~222

［8］Gao W B, Wang Y F, Homaifa A. Discrete-time variable structure control systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1995, 42(2). pp.117~122.