專利名稱：一種數(shù)字化三角波比較法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子技術領域，尤其是涉及一種數(shù)字化三角波比較法。
背景技術：
三角波比較法作為電壓型變流器的主要電流控制方法之一已經(jīng)得到了非常廣泛的應用。采用模擬電路來實現(xiàn)三角波比較法非常容易只需要一個信號發(fā)生器和一個比較放大器，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個三角載波，然后通過比較放大器對調制信號和載波信號進行比較就能得到相應的脈沖觸發(fā)信號。需要注意的是，采用這種傳統(tǒng)的模擬電路來實現(xiàn)三角波比較法時，比例積分(PI)控制器的比例系數(shù)不能取得太大，否則會出現(xiàn)碎波問題，即調制波在一個載波周期內與三角波載波發(fā)生多次比較，如圖1所示。在實際工程應用當中， 如果出現(xiàn)這種碎波現(xiàn)象，將會導致器件開關頻率過高，使其發(fā)熱嚴重而損壞。為了防止這種情況的出現(xiàn)，應使三角波比較法工作過程中/due/dt/〈H/T，其中H為三角波的幅值，T為采樣控制周期。
盡管采用模擬電路實現(xiàn)三角波比較法具有響應速度快的優(yōu)點，但是由于模擬電路具有電路集成度不高、系統(tǒng)性能受環(huán)境溫度等因素影響較大、設計和調試都非常困難等一系列固有缺陷，目前已逐步被性能更為優(yōu)越的數(shù)字化控制器所取代。采用數(shù)字控制器實現(xiàn)三角波比較法后，在一個控制周期內，根據(jù)PI控制器輸出的參考電壓計算確定下一個控制周期內要采用的開關函數(shù)和各開關函數(shù)作用時間。由于在一個控制周期內，只進行一次計算，因此數(shù)字控制器不存在上述碎波現(xiàn)象。
不過與模擬實現(xiàn)方法相比，三角波比較法在數(shù)字化后也存在一些新的問題
(I)控制延時
數(shù)字控制器一般在A/D采樣中斷響應中同時實現(xiàn)PWM控制脈沖的輸出，從而簡化控制程序的編寫。但是，由于DSP等微控制器的運算速度有限，從開始A/D采樣到最后完成 PI調節(jié)和PWM調制等環(huán)節(jié)所需要的時間較長(一般需要占用控制周期1/4到1/2的時間)， 因此無法做到完全無延時的控制。通常，將本次采樣控制周期計算得到的PWM脈沖信號，在下一次A/D采樣中斷開始時發(fā)出；而本次A/D采樣中斷發(fā)出的是上一次采樣控制周期計算得到的PWM脈沖信號。可見采用這種控制方法，將存在一個采樣控制周期的延時，這將對電流控制器造成不利影響，尤其是當該控制方法應用于采樣控制頻率相對較低的大功率變流器時就更明顯。
為了盡量減小數(shù)字控制器存在的延時，我們可以在數(shù)字控制器的 計算過程完成后立刻輸出PWM控制脈沖信號，而不是等到下一個采樣周期開始時才輸出?？紤]到每個采樣控制周期數(shù)字控制器所需要的計算時間可能會有微小的差別，為了確保PWM脈沖保持不變，我們可以用另外一個中斷程序來啟動PWM脈沖輸出，它滯后于采樣中斷信號一段固定的時間，如圖3所示。只要這段固定的控制延時δ選為數(shù)字控制器所需要的最長計算時間， 則數(shù)字控制器能夠保證采樣周期和控制周期都固定，同時又使得控制延時最小。
(2)反饋電流的精確采樣
三角波比較法數(shù)字化實現(xiàn)后，用在離散點的采樣信號來代替了本來連續(xù)的調制信 號，這是一種近似方法。根據(jù)香農(nóng)采樣定理可知，只有當采樣頻率高于信號頻率兩倍時，才 能實現(xiàn)無失真的采樣，因此這種方法一般只能用于信號變化比較緩慢的場合。但是，PWM電 壓型變流器的輸出電流是以鋸齒波狀跟蹤參考電流，含有大量開關頻率的紋波電流，如圖 4a所示(圖4b下半部分的曲線是圖4a的局部放大效果)。由于紋波電流的頻率與控制器的 采樣頻率相同，直接對輸出電流采樣會帶來非常大的失真，從而影響電流閉環(huán)跟蹤控制的 效果。
為了濾除掉開關頻率的紋波電流，以保證離散采樣的準確性，可以采用模擬的低 通濾波器對輸出電流變送器反饋回來的信號進行預處理，使得最后送入A/D采樣環(huán)節(jié)的電 流信號僅包含輸出電流的低次分量(當變流器安裝有輸出濾波器時，也可以直接采樣經(jīng)過 輸出濾波器濾波后注入到系統(tǒng)的電流)。不過低通濾波器會引入一定的相移和幅值衰減，造 成檢測的延時和誤差，嚴重時將導致整個閉環(huán)控制系統(tǒng)失去穩(wěn)定，尤其是在大功率變流器 的應用場合表現(xiàn)更為突出。譬如當電壓型變流器的等效開關頻率為6. 4kHz，為了有效抑 制輸出電流中的紋波電流，低通濾波器的截止頻率應在3. 2kHz以下，這將給指令電流的檢 測帶來百微秒級的延時，因此實際工程應用中一般不采用這種方法來實現(xiàn)輸出電流的精確 采樣。
迄今，已有許多文獻研究了 PWM變流器反饋電流的精確采樣方法，解決的辦法有 兩種①采樣周期平均值可利用特殊的均值A/D轉換芯片或普通A/D采樣芯片結合周期 清零的積分運算放大電路來實現(xiàn)；②在三角載波的起始時刻或中間時刻對瞬時值進行采 樣。這種方法是利用了三角波載波調制算法的對稱特性，即采用對稱PWM調制方式時，輸 出電流的瞬時值恰好在PWM脈沖的起始時刻和中間時刻與其采樣周期內的平均值相等(如 圖4(b)所示)。該方法不需要增加額外的硬件開銷，實現(xiàn)簡單，因此得到了廣泛應用。發(fā)明內容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術所存在的技術問題；提供了一種控制延時縮減為采樣 控制周期一半、臨界比例系數(shù)增大一倍、電流跟蹤效果明顯改善的一種數(shù)字化三角波比較 法。
本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的
一種數(shù)字化三角波比較法，其特征在于，包括以下步驟
步驟I，初始化，包括
初始化條件1:在DSP或MCU的事件管理器中設置一個定時中斷，定時周期設為變 流器采樣控制周期T的一半，即T/2 ；
初始化條件2 :設置置位采樣標志位；
初始化條件3 :設置PWM模塊為連續(xù)增減計數(shù)模式，時間基準周期設為采樣控制周 期T ;
步驟2，使能步驟I中設定的定時中斷；
步驟3，定時中斷觸發(fā)后，首先判斷采樣標志位是否置位，并根據(jù)判斷結果選擇執(zhí) 行以下步驟
選擇步驟1:若采樣標志位置位，啟動A/D轉換，采樣變流器的輸出電流ijt)和系統(tǒng)電壓es(t)，同時復位采樣標志位。在A/D轉換結束后觸發(fā)A/D中斷完成三角波比較法計算過程，得到要輸出到PWM模塊計數(shù)比較器的u (η)；
選擇步驟2 :若采樣標志位復位裝載u(n)到PWM模塊的計數(shù)比較器，同時置位采樣標志位；
步驟4，PWM模塊根據(jù)輸入到計數(shù)比較器的u (η)生成相應的PWM脈沖。
本發(fā)明采用兩個定時中斷分別啟動A/D采樣計算和PWM脈沖輸出，并且使啟動PWM 脈沖輸出的定時中斷滯后啟動A/D采樣計算的定時中斷半個控制周期，即使得采樣時刻剛好在采用三角載波調制后輸出的PWM脈沖的正中間，從而在不增加采樣電路復雜度的前提下，縮減控制延時、改善電流跟蹤效果。
因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點控制延時縮減為采樣控制周期一半、臨界比例系數(shù)增大一倍、電流跟蹤效果明顯改善。


圖1是采用模擬電路來實現(xiàn)三角波比較法時，比例積分控制器比例系數(shù)太大導致碎波現(xiàn)象示意圖。
圖2是帶電壓前饋的三角波比較法示意圖。
圖3是具有最小固定延時的數(shù)字化三角波比較法的實現(xiàn)過程示意圖
圖4a是PWM電壓型變流器的輸出電流實際波形及其低次分量示意圖。
圖4b是數(shù)字化三角波比較法調制過程與逆變器輸出電流曲線對比示意圖，其下半部分的曲線是圖4a曲線的局部放大。
圖5是本發(fā)明所提出的數(shù)字化三角波比較法的硬件設置框圖。
圖6是本發(fā)明所提出的延遲半拍控制的三角波比較法的數(shù)字化實現(xiàn)過程示意圖。
圖7是數(shù)字化控制器的傳遞函數(shù)框圖。
圖8是控制器延時和臨界比例系數(shù)之間的關系。
具體實施方式
下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
實施例
本發(fā)明采用兩個定時中斷分別啟動A/D采樣計算和PWM脈沖輸出，并且使啟動PWM 脈沖輸出的定時中斷滯后啟動A/D采樣計算的定時中斷半個控制周期，即使得采樣時刻剛好在采用三角載波調制后輸出的PWM脈沖的正中間，從而在不增加采樣電路復雜度的前提下，縮減控制延時、改善電流跟蹤效果，其原理框圖如圖5和圖6所示。
首先初始化DSP或MCU配置在事件管理器中設置一個定時中斷，并設定定時周期為變流器采樣控制周期T的一半；設置PWM模塊為連續(xù)增減計數(shù)模式，時間基準周期設為采樣控制周期T ;置位采樣標志位。
然后使能定時中斷。當定時中斷觸發(fā)后，首先判斷采樣標志位是否置位如果采樣標志位置位啟動A/D轉換，采樣變流器的輸出電流込⑴和系統(tǒng)電壓es(t)，同時復位采樣標志位。在A/D轉換結束后觸發(fā)A/D中斷完成圖2所示的三角波比較法計算過程，得到要輸出到PWM模塊計數(shù)比較器的u(n)。如果采樣標志位復位裝載u(η)到PWM模塊的計數(shù)比較器，同時置位采樣標志位。
最后，由PWM模塊根據(jù)輸入到計數(shù)比較器的u (η)生成相應的PWM脈沖。
以下是本發(fā)明方法的一個實施例
圖7是上述延遲半拍控制的數(shù)字化三角波比較法的控制函數(shù)傳遞框圖，可采用修正Z變換和勞斯判據(jù)來分析其穩(wěn)定性。
首先由控制函數(shù)的傳遞框圖得到其開環(huán)傳遞函數(shù)如下
權利要求
1.一種數(shù)字化三角波比較法，其特征在于，包括以下步驟步驟I，初始化，包括初始化條件1:在DSP或MCU的事件管理器中設置一個定時中斷，定時周期設為變流器采樣控制周期T的一半，即T/2;初始化條件2 :設置置位采樣標志位；初始化條件3 :設置PWM模塊為連續(xù)增減計數(shù)模式，時間基準周期設為采樣控制周期T ；步驟2，使能步驟I中設定的定時中斷；步驟3，定時中斷觸發(fā)后，首先判斷采樣標志位是否置位，并根據(jù)判斷結果選擇執(zhí)行以下步驟選擇步驟1:若采樣標志位置位，啟動A/D轉換，采樣變流器的輸出電流ic(t)和系統(tǒng)電壓es (t)，同時復位采樣標志位，在A/D轉換結束后觸發(fā)A/D中斷完成三角波比較法計算過程，得到要輸出到PWM模塊計數(shù)比較器的u(n)；選擇步驟2 :若采樣標志位復位裝載u(n)到PWM模塊的計數(shù)比較器，同時置位采樣標志位；步驟4，PWM模塊根據(jù)輸入到計數(shù)比較器的u (η)生成相應的PWM脈沖。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力電子技術領域，尤其是涉及一種數(shù)字化三角波比較法。本發(fā)明采用兩個定時中斷分別啟動A/D采樣計算和PWM脈沖輸出，并且使啟動PWM脈沖輸出的定時中斷滯后啟動A/D采樣計算的定時中斷半個控制周期，即使得采樣時刻剛好在采用三角載波調制后輸出的PWM脈沖的正中間。本方法與傳統(tǒng)的延遲一拍控制的三角波比較法數(shù)字化實現(xiàn)方法相比，控制延時縮減為采樣控制周期一半，臨界比例系數(shù)增大一倍，從而能夠明顯改善電流跟蹤效果。
文檔編號H03K17/296GK103023464SQ20121027968
公開日2013年4月3日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權日2012年8月8日
發(fā)明者譚甜源, 樂健, 劉開培, 劉劍 申請人:武漢大學