基于DSP的25Hz逆变电源数字化控制的研究Word文档格式.docx
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论文类型（选）1.理论研究2.应用基础3.应用研究√
4.研究报告5.软件开发6.设计报告
7.案例分析8.调研报告9.其它
论文题目：
专业：
控制理论与控制工程
研究生：
方红莲
苏彦民教授
摘要
25Hz逆变电源是铁路用特种电源，目前市场上的产品大都采用模拟控制方式，其中存在很多问题。
本文针对这些问题，采用TI公司的定点DSP—TMS320F240作为控制器，对其进行了数字化控制的研究。
本文对25Hz逆变电源数字化控制的实现作了详细的介绍，分别利用状态反馈控制、重复控制和PID控制算法对系统的控制进行了理论分析和试验研究。
论文首先建立了逆变器的模型，然后对状态反馈控制、重复控制和PID控制算法进行了理论分析。
在其基础上，提出了基于TMS320F240的硬件设计方案。
根据实验装置，对控制参数进行了设计。
其后对控制算法进行了软件设计，并对实验装置进行了实验调试。
实验装置采用单相全桥逆变电路，输出功率为1kW，开关频率为20kHz。
利用重复控制实现了系统的数字化控制，输出特性基本满足要求，并给出了实验样机。
经实验证实，状态反馈控制逆变器系统稳定性好，但是在加载的情况下，电压跌落幅度大。
重复控制逆变器系统稳定性和鲁棒性都很好，输出谐波含量小，波形质量高，但是动态特性不是特别理想。
数字PID控制算法，应用于单电压环逆变器时，由于采样和计算延时的影响，系统稳定性低，稳定裕量小，效果不理想，有待进一步的研究和改善。
【关键词】逆变电源；
DSP；
状态反馈控制；
重复控制；
PID控制
【论文类型】应用研究
Title:
ResearchonDSP-basedDigitalControlof25HzInverterPowerSupply
Major:
ControlTheoryandControlEngineering
Name:
FangHonglian
Supervisor:
SuYanmin
Abstract
25Hzinverterisaspecialpowersupplyusedintherailroadsystem.Duetothedisadvantagesofanalogcontrolmodeusedincurrentproducts,theimplementationofdigitalcontrollerisdescribedinthispaper.ThesystemiscontrolledbyaTITMS320F240DSP（20-MHz16-bitfixed-point）.
Theimplementationofthedigitalcontrollerisintroducedindetailsinthispaper.Thetheoreticalanalysisandexperimentalresearchofthesystemcontrolareaccomplishedusingthefollowingthreecontrolschemes:
thestatefeedbackcontrol,therepetitivecontrolandthedigitalPIDcontrol.
First,theinvertermodelsareestablished.Furthermore,thethreecontrolschemesareanalyzedtheoretically,andthehardwaredesignofthecontrollerbasedonTMS320F240issubsequentlyillustrated.Thentheparametersofthecontrolleraredesignedaccordingtotheexperimentaldevice.Moreover,thesoftwareimplementationandthedebuggingoftheexperimentaldevicearecompleted.
Inordertoprovetheconcepts,alabprototypesystemof1-kWsingle-phasefullbridgeinverteroperatingat20kHzissetupwithexperimentalresultspresented.Thecontrolsystemisimplementedusingrepetitivecontrolandtheoutputcharacteristicsofthesystemcanmeettherequirements.Thesystemwithfeedbackstatecontrolisstable.Theoutputvoltage,however,declinesremarkablyastheloadisaddedtothesystem.Therepetitivecontrolsystempossessesasatisfactorystableandrobustcharacteristic,highqualityoftheoutputwaveformandlowtotalharmonicsdistortion.However,thedynamicresponseisnotverygood.Duetothesampleandcomputingtimedelay,thesystemstabilityisnotgoodusingdigitalPIDcontrolalgorithmwithonlyonevoltagefeedbackloopwhichdeservesfutureinvestigation.
【KeyWords】inverterpowersupply;
DSP;
statefeedbackcontrol;
repetitivecontrol;
PIDcontrol
【TypeofThesis】AppliedResearch
第一章绪论……………………………………….1
1.1研究背景…………………………………………………………1
1.2国内外研究现状…………………………….…..……………...2
1.3逆变电源系统构成……………………………...………………4
1.4本论文的研究内容……………………….…..…………………5
第二章控制方法…………….………………….7
2.1引言……………………………………………….………………7
2.2主电路结构与建模………………….…..………………………7
2.3状态反馈控制原理…………………..……..………….……..10
2.4不完全微分算法……………………...…..……………….…..12
2.5重复控制原理………………………..…………………...……14
2.6PID控制原理……………………..…………………...……….17
2.7采样和计算延时对系统控制性能的影响.………….………18
2.8小结………………….……………………….…………………20
第三章控制系统硬件设计…………………….21
3.1控制电路构成………………………………………………….21
3.2TMS320F240及其外围设备………………………….………21
3.2.1事件管理器…………………...…………………………23
3.2.2A/D模块…………………………………….……………25
3.3A/D采样电路………………………………..…………………25
3.4存储器与F240的接口…………………………...……………28
3.5硬件设计中的抗干扰问题………………...…...…………….29
3.5.1概述……………………………………………………….29
3.5.2信号检测A/D采样中的抗干扰措施………...………..30
第四章控制参数设计………………………….31
4.1概述……………………………………………………………..31
4.2状态反馈控制算法参数的设计……………………………...32
4.2.1动态特性——反馈增益矩阵L的设计…...………..…32
4.2.2稳态特性——输入增益K的设计…………………..…34
4.3重复控制算法参数的设计……………………..…………….35
4.4PID算法参数的设计……………………………………..……36
4.5预估器原理………………………………………………...…..38
4.6小结……………………………………………………………..39
第五章系统软件设计………………………….40
5.1概述……………………………………………………………..40
5.2初始化……………………………………………………...…..40
5.3软启动问题……………………………………………...……..42
5.4控制算法软件设计…………………………………………….43
5.5软件抗干扰措施……………………………………………….47
5.6小结………………………………………………………….….47
第六章实验结果及分析……………………….49
6.1状态反馈控制算法的实验结果及分析……..………………49
6.2重复控制算法的实验结果及分析………………...…………50
6.3PID控制算法的实验结果及分析……………...…………….52
第七章结论…………………….……….……..54
参考文献……………………………….…………..56
致谢……………………………………………………58
第一章绪论
1.1研究背景
电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。
1969年诞生的逆变电源可靠性高，稳定度好，调节特性优良，而且体积小，重量轻，功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用。
随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源的要求越来越高。
许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需要的电能形式[1]。
本论文研究的逆变电源产品主要针对25Hz铁路用特种电源，利用多种控制算法，实现数字化控制，对各种算法进行了研究和分析，并提出了一些改进方案。
25Hz逆变电源是电气化铁路区段信号系统中的关键设备。
铁路用25Hz逆变电源的发展经历了以下几个阶段：
铁磁谐振逆变电源的频率变换部分采用田字形或口字型铁芯，这种电源存在着许多不足，且技术已落后。
随后提出以25Hz静止逆变电源代替以前的铁磁谐振电源。
目前市场上的25Hz静止逆变电源中普遍采取的是模拟控制方式。
在模拟方式控制的逆变电源中存在以下的缺点：
1.控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大。
2.灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变。
3.最主要的是，逆变电源不便于调试，参数不一致，因所使用的器
件各自的特性差异致使各电源之间特性有所差异，电源的一致性不好。
本课题就是针对以上的缺点对模拟方式控制的逆变电源进行数字化控制的研究。
以前，由于受到控制器及外围芯片的限制，模拟控制方式向数字控制方式的转变始终未得以圆满实现。
近年来，大规模集成电路ASIC、现场可编程逻辑器件FPGA及数字信号处理器DSP技术的发展，给数字化控制的研究提供了机会，同时数字智能化PWM调制技术和控制技术也有了长足的发展。
数字化控制的优点主要在于，各种控制策略硬件电路基本是一致的，要实现各种控制策略，无需变动硬件电路，只需修改软件即可，大大缩短了开发周期，而且可以应用一些新型的复杂控制策略，各电源之间的一致性很好，这样为逆变电源的进一步发展提供了基础。
另外现在逆变电源并联技术的研究也是一个重大课题，要实现逆变电源的并联，单台逆变电源的数字化控制是其基础。
此外未来电力电子最大的挑战是怎样使电力电子设备普遍化、大众化，电力电子器件标准化[2]，这其中离不开数字化控制的发展，数字化控制是实现智能化、标准化的基础。
所以针对以上的模拟控制中存在的问题和数字化控制的优点及进一步发展的需要，提出了将模拟控制的逆变电源转变为数字化控制的逆变电源的课题。
1.2国内外研究现状
逆变器控制由最早的开环控制发展到输出电压瞬时值反馈控制，由模拟控制逐渐发展到了数字控制，从而大幅度提高了电源系统的性能。
目前逆变器的控制一般采用反馈控制，同时控制方法由模拟控制方式转变为数字控制方式也是一种趋势。
在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、状态反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。
PID控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用[3][4]。
随着微处理器技术的发展和数字智能控制器的实际应用，许多新型数字PID算法不停出现。
PID控制算法具有较快的动、静态响应特性。
无差拍控制是一种基于精确的PWM逆变器模型的控制方法，它主要是实现系统的零极点对消。
1959年是由Kalman首先提出的。
1985年，Gokhale在PESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制[5]。
在迄今为止的十余年中，不断有许多学者对它进行深入地研究，但始终没有获得工业应用。
从本质上讲，无差拍控制是一种基于理想电路方程的控制方法，对于固定线性负载来说，该控制方法取得了良好的效果。
但电路方程的形式与系数必然随着电路元件的性质与参数的变化而变化，即该方法对系统参数反应灵敏[6]。
一旦系统参数发生变化或系统模型建立不准确，系统将会出现振荡，且空载时由于算法的不足出现十分严重的振荡。
状态反馈控制是由台湾邹应屿等人于1994年提出的[7]。
此控制方法的数学模型与无差拍控制的一样，一般是根据时域指标提出一组期望的极点，通过对反馈增益矩阵的设计，使闭环系统的极点恰好处于根平面上所期望的位置，以获得期望的动态特性即所谓的极点配置问题。
此控制方法可实现系统极点的配置，所以克服了无差拍控制空载时振荡的缺点。
逆变器工作在一种稳定状态。
重复控制[8]是一种十分有效的波形校正技术，是基于内模原理的控制技术。
此控制方法早期应用于重复性机械运动机构的控制，如机器人、磁盘驱动器等。
近年来在UPS逆变电源的波形控制中也得到了应用，获得了良好的控制效果。
它对于消除非线性负载及其它周期性干扰引起的波形畸变，具有非常明显的效果[9]。
系统稳定性和鲁棒性都很好，但是由于存在一个周期轮空不调，系统动态特性较差。
滑模变结构控制理论始于五十年代[10]，它最显著的特点是滑动模态具有完全自适应性，对参数变动和外部扰动不敏感，非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。
早期的滑模变结构控制器采用模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统及正弦波逆变器中。
九十年代中后期，台湾的邹应屿和香港大学的L.K.Wang等人将离散滑模变结构控制理论应用到逆变器中，获得了良好的控制效果[11]。
滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平面一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强的鲁棒性。
但是，变结构控制中存在抖动问题，使得波形跟踪质量较差，输出波形不及重复控制和无差拍控制。
模糊控制[12]，主要是模糊PID控制[4]，是为了解决传统PID控制鲁棒性差的问题而提出的一种智能控制策略。
它首先将输入的精确量（一般为跟踪误差及其导数）转换为模糊量，然后根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据推理结果确定当前情况下最适合的PID控制器参数。
模糊控制系统就像一个有经验的专家一样，能根据实际情况变动控制器参数，因此大大提高了控制系统的鲁棒性，改善了逆变器系统对非线性负载的适应能力。
神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式，90年代初，日本的Yoshihisa等人将人工神经网络技术应用到逆变器中，构成一个数字电流调节器。
一九九九年的PEDS年会上，香港大学的XiaoSun及浙大的FrankH.F.Leung等人将神经网络技术应用到逆变器输出波形控制上[13]。
它模仿人的大脑实现对系统的控制。
它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而大多数系统（包括逆变电源系统）或多或少的都带有非线性因素。
但因为硬件系统的限制，目前还不能实现在线神经网络波形控制，多数应用都是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现系统的在线控制。
由于其控制规律的获得不依赖于系统模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统的鲁棒性特别强，适用于各种负载情况。
但是由于学习情况比较复杂，目前该方法仅限于实验室阶段。
以上即为现阶段各种控制方法的简单介绍，在以后的章节会对状态反馈控制、重复控制和PID控制进行详细的介绍。
1.3逆变电源系统构成
在这里先简要介绍逆变电源系统的构成[1]。
逆变电源主要包括以下几个部分：
逆变电路、控制电路、保护电路、辅助电源、输入电路、输出电路和显示电路。
逆变电源系统电气原理框图如图1-1所示。
整个系统主电路采用交-直-交变换电路，其中的交-直部分采用电容滤波的单相不可控整流电路，电网电压经工频变压器变到170V，整流成直流。
试验装置中直流母线电压200V。
整流电路中串接有充电电阻，电阻上并联24V继电器，当母线电压充到一定程度时，继电器动作，将电阻短接。
直-交变换电路采用单相电压型全桥逆变电路。
开关器件采用绝缘栅双极晶体管
图1-1系统电气原理框图
IGBT。
它集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等优点，所以很适合于用作逆变电源变换器中的功率开关器件。
在本逆变电源系统装置中，IGBT的驱动电路采用三菱公司的集成驱动厚膜电路M57959AL，由高速光藕隔离输入，有2500VAC/min的高绝缘强度，与TTL电平兼容。
内藏定时逻辑短路保护电路，并具有保护延时，驱动功率大。
为了保证系统安全可靠的运行，保护电路是必不可少的。
本装置中保护电路和桥臂IGBT的驱动电路制成在一块电路板上，设置了多种故障的保护电路，有：
IGBT过流保护、直流母线欠压保护、散热器过热保护等。
过流保护由M57959内部保护电路完成，单相全桥电路中四只IGBT的过流保护，经逻辑门综合为一路故障电平信号，锁存器锁存后，与欠压保护和过热保护综合，分别送至故障处理电路进行保护逻辑处理，和控制板封锁PWM脉冲。
在装置中还有一部分是辅助电源，辅助电源的功能是将电网整流得到的直流电压变换成适合控制和驱动电路工作的直流电压，即为控制电路和IGBT的驱动电路提供直流电源。
辅助电源采用电流型PWM控制芯片UC3842，设置它的振荡频率为40kHz，在图中经过整流后的310V直流电压为其输入正电源。
在逆变电源系统中，控制电路和逆变电路是同等的重要。
本论文的核心就是逆变电源控制器的设计与最终的实现。
1.4本论文的研究内容
本论文针对单相全桥逆变电源系统的实验装置，围绕逆变电源数字化控制的研究做了一些工作。
首先采用状态反馈控制、重复控制和PID控制算法对25Hz模拟逆变电源进行了数字化控制研究，采用状态反馈控制算法最大的优点是易于设计、系统稳定性好。
采用重复控制算法的优点在于系统稳态特性非常优良，输出波形谐波含量低，调试简单方便。
最后将PID控制算法应用于逆变器系统，进行了控制研究。
在课题进行期间，作者主要完成了以下几个方面的工作：
1）控制方法的研究，包括重复控制方法，状态反馈控制方法和PID控制方法，对算法进行了理论分析，并对算法进行了一定的改进，以达到减少逆变电源滤波电容上电流传感器和提高系统性能的目的。
2）系统建模，针对各种控制方法对系统进行了简化和数学模型的建立。
3）系统硬件的设计，以TMS320F240为控制芯片，对控制电路硬件进行了设计。
所设计的硬件系统为各种控制算法的实现提供了一个平台，是各种控制策略实现的基础。
4）控制算法软件的设计，利用汇编语言，对重复控制算法、状态反馈控制算法和PID控制算法进行了软件编程设计。
5）实验调试，对各种控制算法进行了实验调试，得到相应的实验结果，并对结果进行了分析。
6）利用重复控制算法实现了25Hz1kW逆变电源的数字化控制，给出实验样机，系统输出性能基本满足要求。
以上即为作者在课题研究期间所做的主要工作。
下面介绍一下本论文的内容安排。
本文着重讲述的是重复控制方法的设计及实现，对状态反馈控制算法和PID控制算法做了初步的探讨，具体实现需进一步的研究。
在论文章节的安排上，是将各种控制算法对比进行阐述的。
论文针对单相全桥逆变电源系统，围绕所做的研究工作从控制方法和系统实现等各个方面进行了论述。
第二章先介绍了逆变器结构和模型建立。
从系统的数学模型引出重复控制、状态反馈控制和PID控制三种算法，分析了各种控制算法的原理，并对控制算法进行了一些改进。
第三章讲述了系统控制电路的硬件设计，以TI公司的TMS320F240作为控制器的核心芯片，主要介绍了控制系统的构成、控制芯片F240的外围设备、A/D采样电路、控制芯片与存储器的接口及硬件抗干扰措施等内容。
第四章针对单相全桥逆变电源实验装置，结合第二章的理论分析，对各种算法下的控制参数进行了设计。
第五章给出了控制系统软件的实现，给出了软件设计的程序流程图，其后介绍了软件中所采取的抗干扰措施。
第六章给出了各种控制方法的实验结果，并针对实验结果，对控制算法进行了分析。
第七章对本论文进行了简单的总结，提出了需要完善的方面，以期进一步改进和提高系统性能。
本论文围绕着逆变电源数字化控制的实现从控制方法分析，系统设计及实验各个方面进行了阐述，力求在逆变电源的数字化控制方面做一些有意义的探讨和研究。
第二章控制方法
2.1引言
逆变系统也是一种控制系统，通过调节一个或几个参考值来改变逆变系统的输出。
逆变系统有开环控制系统和闭环控制系统之分，因为开环系统的输出在电网电压和负载变化时，无稳定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率
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