基于高性能AD變換器和DSP的電源設(shè)計(jì)

3 數(shù)字控制方案

本系統(tǒng)采用雙環(huán)控制的PID調(diào)節(jié)。PID控制以其簡(jiǎn)單、參數(shù)易于整定、發(fā)展成熟之特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐之中，逆變電源的控制也不例外。雙環(huán)控制既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，又可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

3．1 數(shù)字PID算法

PID控制是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，PID表示比例(proportional)一積分(intergral)一微分(differentia)。設(shè)PID調(diào)節(jié)器如圖3所示。

調(diào)節(jié)器的輸出與輸人之間為比例積分一微分的關(guān)系，即：

若以傳遞函數(shù)的形式表示：

其中：Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；Kp為比例系數(shù)；Kd=Kp/Ti為積分系數(shù)；Kd=KpTd為微分系數(shù)。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)值PID調(diào)節(jié)器，就是對(duì)式(1)的離散化，離散化時(shí)，令：

其中：丁是采樣周期。

顯然，上述離散化過(guò)程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。由式(4)和式(7)可得到：

式(8)即數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的輸出輸入關(guān)系式。

PID算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)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，使過(guò)程反應(yīng)迅速。微分(D)在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表了將來(lái)的信息。積分(1)代表了過(guò)去的信息，他能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。因此，設(shè)計(jì)好的PID控制器有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的一類控制器。對(duì)于逆變電源，由于空載的SPWM逆變器近似于臨界振蕩環(huán)節(jié)，積分作用會(huì)增加相位的滯后，這樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能產(chǎn)生負(fù)面的影響，所以在設(shè)計(jì)瞬時(shí)值反饋的PID控制器時(shí)總是采用比例控制(P)或者比例微分(PD)控制。

3．2 數(shù)字控制方案

控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

該系統(tǒng)包括2個(gè)控制環(huán)：外環(huán)為電壓有效值控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為輸出電壓瞬時(shí)值反饋環(huán)。外環(huán)進(jìn)行數(shù)字濾波，得到輸出電壓的有效值；和輸出有效值給定Vrms,進(jìn)行比較，其誤差信號(hào)再經(jīng)由PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)的給定值的幅值。逆變電源通過(guò)有效值外環(huán)控制，理論上可以做到輸出電壓有效值穩(wěn)態(tài)無(wú)差，該控制環(huán)的目的是為了保證當(dāng)負(fù)載變化、系統(tǒng)受干擾后維持輸出電壓有效值的穩(wěn)態(tài)不變，即保證系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度。內(nèi)環(huán)為輸出電壓瞬時(shí)值反饋控制環(huán)，該環(huán)對(duì)輸出電壓的瞬時(shí)值進(jìn)行控制，使得輸出電壓跟蹤給定的正弦波，維持輸出的良好正弦性，為了保證系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度，該環(huán)的控制器多采用比例(P)控制器，或者比例微分(PD)控制器。該環(huán)的主要作用是為了保證輸出電壓的正弦性，克服干擾對(duì)輸出電壓波形的影響，改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。