一种基于DSP技术的数字UPS逆变器方案

DSP技术具有定点计算、零开销循环等特点，因此也被广泛的应用在了数字控制等领域之中。今天我们将要为大家分享一种基于DSP技术的数字UPS逆变器设计方案，该方案通过使用DSP技术集成芯片，完成了对逆变器产品的全数字控制设计。

首先我们来看一下这种基于DSP技术的全数字控制UPS逆变器方案的结构框图。从图1中可以看到，这种逆变器在主电路的设计方面主要采用的是全桥结构，控制电路采用的是电机控制专用DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制器。在该种UPS逆变器的电路结构中，Lf和Cf为逆变器的输出滤波电感和滤波电容，rL和rC分别为滤波元件的串联寄生电阻。为了有效提升该逆变器的精确性，同时也从成本控制角度考虑，在本方案中，控制系统采用了电阻取样，主功率电路与控制电路共地的系统控制方法。Rs1和Rs2为输出电压取样电阻，Rc为电感电流取样电阻。电压和电流取样信号通过采样网络，输入到DSP的A/D转换口。DSP的PWM模块输出4路PWM信号经过驱动电路之后驱动4个IGBT管。

图1 UPS逆变器结构框图

在本次所设计的全数字控制UPS逆变器方案中，我们采用电感电流模式的数字双环PI控制方法，对逆变器进行控制，其具体的数字控制框图如下图图2所示。从图2中可以看到，图右边的虚线框内部分是该逆变器的主电路，V_ref为存储在DSP程序空间内的正弦波数据表，V_AB为逆变桥两桥臂中点间的电压。为了能够有效抑制反馈量中的高频噪声，提高采样的精确性，我们在该逆变器的反馈通道中增加了阻容低通滤波器。电压误差信号经过数字PI调节之后的输出作为电流环的指令，电流误差信号再经过比例调节得到电流环输出。电流环输出与定时器产生的三角波比较后得到四路门极脉冲。

图2 逆变器数字控制框图

下图中，图3是经过简化后的全数字控制UPS逆变器电流内环框图。在这一内环框图中，参数Zoh为零阶保持环节，它的s域传递函数是Gh（s）=，其中Ts为采样周期。在本次的全数字控制UPS逆变器设计方案中，逆变器电压和电流采样周期均为50μs。电流环的开环脉冲传递函数可以写为GC（z）=Z=（这里我们忽略了电感的串联电阻rL），它的闭环传递函数的特征方程为1+KC·=0，根据无差拍控制原理，令特征根为0，得到KC=。下图图4为简化的电压外环控制框图。其中为电压外环数字PI控制器脉冲传递函数的一般形式，K1-K2=KITs，KI为积分系数。

图3 简化的电流内环框图

相信很多工程师们看到这里，已经发现了，在上文中所提及的电流内环设计中，其本身的跟踪速度远远快于电压外环，因此我们在设计电压外环时，需要对其进行合理的简化设计。其具体的简化步骤如下：设电感电流已经能够跟踪指令电流，这样可以假设电流内环为一个单位比例环节1，从而得到电压外环的开环脉冲传递函数，即：Gv（z）=··（这里我们忽略了电容的串连电阻rC），因此，其闭环传递函数的特征方程为：··+1=0。同样的，我们根据无差拍控制原理，令特征根为0，可以得到K2=，K1可以为任意常数。根据K1和K2的关系并结合仿真的方法可以确定K1。在上面的控制参数设计过程中，均采用了单位反馈的简化方框图，实际线路的反馈通道上肯定会有比例环节，因此在上述设计的基础上，还要根据实际的反馈比例变换控制方框图，得到最终的控制环节参数。

图4 简化的电压外环控制框图

下图图5是基于DSP技术的UPS逆变器方案中，所使用的一种采样控制时序示意图。自图5中可以看到，t0-t4为一个开关周期，由于采用了倍频单极性的正弦波脉宽调制方法，该阶段输出滤波电感的脉动频率是开关频率的两倍，这样可以缩小滤波元件的体积。在定时器周期中断的t1时刻，同时启动两路A/D转换器，进行电压和电流反馈量的采样，t2时刻A/D转换结束，立即进行双环控制算法的执行直至t3时刻。在定时器下溢中断的t4时刻，将计算所得的比较值CMPRx载入。很显然，在这种采样控制方法中，控制点相对于采样点只延时了半个开关周期，控制实时性得到的很大的提高。下图中，图6是逆变器负载切换的仿真波形图，从图6仿真波形中能够证明，其控制实时性得到了极大的提升。

图5 采样控制时序示意图

图6 逆变器负载切换仿真波形

以上就是本文所分享的一种基于DSP技术的全数字控制UPS逆变器设计方案，希望能够对工程师的设计研发工作有所帮助。