基于高性能AD變換器和DSP的電源設計

3 數字控制方案

本系統采用雙環控制的PID調節。PID控制以其簡單、參數易于整定、發展成熟之特點，廣泛應用于工程實踐之中，逆變電源的控制也不例外。雙環控制既保證了系統的穩態特性，又可以提高系統的動態性能。

3．1 數字PID算法

PID控制是應用最廣泛的一種控制規律，PID表示比例(proportional)一積分(intergral)一微分(differentia)。設PID調節器如圖3所示。

調節器的輸出與輸人之間為比例積分一微分的關系，即：

若以傳遞函數的形式表示：

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

在計算機控制系統中使用的是數值PID調節器，就是對式(1)的離散化，離散化時，令：

其中：丁是采樣周期。

顯然，上述離散化過程中，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)即數字PID調節器的輸出輸入關系式。

PID算法蘊含了動態過程中過去、現在和將來的主要信息。其中比例(P)代表了目前的信息，起校正偏差的作用，使過程反應迅速。微分(D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。積分(1)代表了過去的信息，他能消除靜差，改善系統的靜態特性。因此，設計好的PID控制器有動態響應快、穩態精度高、魯棒性強的優點，是工程實踐中應用最為廣泛的一類控制器。對于逆變電源，由于空載的SPWM逆變器近似于臨界振蕩環節，積分作用會增加相位的滯后，這樣會對系統的穩態性能產生負面的影響，所以在設計瞬時值反饋的PID控制器時總是采用比例控制(P)或者比例微分(PD)控制。

3．2 數字控制方案

控制系統的框圖如圖4所示。

該系統包括2個控制環：外環為電壓有效值控制環，內環為輸出電壓瞬時值反饋環。外環進行數字濾波，得到輸出電壓的有效值；和輸出有效值給定Vrms,進行比較，其誤差信號再經由PI控制器進行調節控制標準正弦波信號的給定值的幅值。逆變電源通過有效值外環控制，理論上可以做到輸出電壓有效值穩態無差，該控制環的目的是為了保證當負載變化、系統受干擾后維持輸出電壓有效值的穩態不變，即保證系統的輸出電壓穩態精度。內環為輸出電壓瞬時值反饋控制環，該環對輸出電壓的瞬時值進行控制，使得輸出電壓跟蹤給定的正弦波，維持輸出的良好正弦性，為了保證系統有足夠的穩定裕度，該環的控制器多采用比例(P)控制器，或者比例微分(PD)控制器。該環的主要作用是為了保證輸出電壓的正弦性，克服干擾對輸出電壓波形的影響，改善控制系統的動態性能和穩態性能。