基于重复控制的双DSP+FPGA三相逆变器

基于双DSP+FPGA的三相逆变器的设计与实现三相逆变器作为现在一种常用的电力电子设备，对输出电压控制系统需同时实现两个目标:高动态响应和高稳态波形精度。诸如PID、双闭环PID、状态反馈等控制方案，虽然能实现高动态特性，但是不能满足高质量的稳态波形。 随着电力电子技术的发展，三相逆变器作为电力转换的核心设备之一，在工业生产和日常生活中扮演着越来越重要的角色。尤其在需要高质量电能输出的应用场合，三相逆变器的输出电压控制系统必须同时满足高动态响应和高稳态波形精度两个目标。为了达到这样的性能要求，本文探讨了一种基于双数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）的三相逆变器设计与实现方法。 三相逆变器的数学模型在三相静止坐标系中得到了建立，该模型由三相逆变桥、滤波电感L和滤波电容C组成。通过状态方程和输出方程的建立，并利用坐标变换，三相逆变器的控制设计问题得以简化为两个独立的单相半桥逆变器模型，从而可以借鉴单相逆变器的控制策略进行设计。 在控制策略的选择上，本文采用了双闭环PI（比例-积分）控制器的设计。该设计中，电流环控制器主要负责快速响应，由于电流变化较快，因此采用比例调节P即可满足响应速度的需求。为了增强系统的稳定性和抗干扰能力，电流环的闭环截止频率fc需要设计得高于外环且低于开关频率，这样可以兼顾快速响应与器件的安全。而电压环控制器则需要考虑电流负反馈的补偿，设计时要通过振荡指标法来确定合适的中频带宽h，以达到系统性能的最优化。 尽管传统控制策略如PID、双闭环PID和状态反馈等能提供良好的动态特性，但它们在稳态波形质量方面的表现往往不尽人意。为解决这一问题，本文提出了一种基于重复控制补偿的高精度PID控制策略。重复控制是一种补偿控制技术，它通过对过去控制偏差的累加与叠加，提高系统的跟踪精度，并通过低通滤波器Q(s)降低高频段的增益，从而在保证系统稳定性的基础上，进一步提升稳态性能。 重复控制策略在双DSP+FPGA的硬件平台上得以实施。DSP单元负责数字信号处理和算法的实现，而FPGA则提供了灵活的逻辑控制和高速的数字信号处理能力。在这样的硬件平台上，重复控制算法可以精确地执行，同时保证了系统的实时性和可靠性。 实验结果表明，结合重复控制补偿的双闭环PI控制器，使得三相逆变器在驱动高电压质量要求的非线性负载（例如钠灯）时，能够有效地抑制闪烁现象，显著改善稳态性能。这不仅验证了本文提出的三相逆变器设计方案的有效性和实用性，而且为三相逆变器控制技术的未来研究和发展提供了新的思路和解决方案。 基于重复控制的双DSP+FPGA三相逆变器，通过硬件与控制算法的高效结合，实现了高动态响应与高稳态波形精度的目标，为电力电子设备的输出电压控制提供了一种先进的解决策略。随着技术的不断进步，我们可以期待未来会有更多类似的创新方法，推动三相逆变器技术的发展，满足更加严苛的工业和生活应用需求。