以DSP為基礎的智慧型UPS之研製

摘 要計劃緣由與目的研究方法及成果結論與討論參考文獻


註:本文為國科會計畫之計畫成果精簡報告,計畫編號:NSC-84-0404-E-009-085。

摘  要

本階段之研究主要探討應用返覆控制(repetitive control)理論於交流電 源穩壓系統以消除非線性負載造成之週期性誤差。 交流電源供應系統由於負載的多樣性與不確定性,設計者難以建立精確的數學模型, 因此傳統的控制系統設計方法遭遇到難以突破的瓶頸。 在過去此一問題主要是以類比式的PI控制器再加上適當的頻率響應補償來解決, 但此法仍然無法徹底根除非線性負載對輸出電壓所造成的週期性干擾。 交流電源供應系統所面對的負載大多為具有非線性特性的整流性負載, 傳統的線性控制器無法有效地予以補償。 有鑑於整流性負載週而復始的特性,本研究乃提出一種具有前饋補償之數位 式返覆控制器設計方法以彌補線性控制器的不足並改善輸出電壓的品質。 為了實現本研究所設計的返覆控制器,採用數位訊號處理器(digital signal processor, DSP)做為控制核心, DSP的快速運算能力使系統得以15 kHz進行高速取樣,整體控制性能大幅提升。 本計畫同時採用智慧型功率模組(intelligent power module, IPM), 設計一個額定輸出為2 kVA之脈寬調變換流器, 並配合此功率級發展出以DSP TMS320C14為核心且具有完善週邊功能之控制單板。 本計畫亦發展出以EMTP及MATLAB為基礎之電腦模擬軟體,協助設計者進行實測電路模擬與系統分析。 實驗結果顯示本文所提出的返覆控制器可有效地壓抑由整 流性負載所引發的週期性干擾,輸出電壓的總諧波失真也因而大幅降低。

一、計劃緣由與目的

近年來由於電腦、資訊、通訊、自動化、能源、運輸、航空、 與太空等工業的快速發展,大幅增加了產業界對各種不同電源供應系統 的需求,而超大型積體電路、功率半導體、磁性材料、高溫超導體 的發展,也使得高效率、高可靠度、輕薄短小的電源供應系統成為 工業先進國家競相發展的目標。高效率、高性能的電力轉換技術, 對未來科技的發展與人類生活品質的提昇實居於關鍵性地位,而掌 握此關鍵性技術的國家,必然能在未來的科技競爭中取得領先地 位。

個人電腦與工作站帶動了UPS的需求[1]-[2],而半導體功率元 件、磁性材料元件與微電子技術的發展則帶動了UPS全面性的發展, 將UPS推向了輕薄短小的境界。由於大型積體電路與微電子技術的快 速發展,以微處理器為基礎的UPS數位控制技術,近年來亦成為重要 的研究方向。輸出電源穩壓控制、雙向高頻交直流(bilateral high- frequency ac/dc converter)控制與功率因數(power factor)的改善均可藉由 微電腦以軟體控制方式達成,而微電腦同時還能兼顧能源管理、電 源監視、程序控制、網路通訊與人機介面,因此以微處理器為基礎 的UPS數位控制將是未來發展的必然趨勢。

本計劃研製了一個以單晶片DSP(TMS320C14) 為控制核心,以IPM為功率元件的全數位控制智慧型UPS系統。在UPS的交流穩壓控 制方法上,採用最佳化狀態回授(optimal state feedback)控制方法進行基 本迴路控制,再以返覆控制器補償系統的週期性誤差。本計畫利用 數位信號處理器實現前述的控制法則,不僅達成全數位化軟體控制 的目標,也大幅降低了各種負載狀況下的總諧波失真。

二、研究方法及成果

A、研究方法

一個閉迴路控制的脈寬調變換流器其系統架構如圖一所示,此系統 包含脈寬調變換流器、輸出濾波器、迴路控制器、與負載等四部 份。閉迴路控制的脈寬調變換流器主要應用於交流穩壓系統如AVR 或UPS,換流器的四個功率開關在正弦調變下所產生的脈寬調變電壓 經由濾波器去除高頻諧波成份後就會得到調變的基本波,通常為 60Hz的正弦電壓。如果提高功率開關的切換頻率,不僅能使輸出濾 波器的體積變小,也能降低系統輸出電壓的諧波失真。但頻率愈 高,開關損失也愈大,在設計上須妥協折衷。交流電源穩壓器的目 的在於提供一個不受負載變動與線電壓波動影響的定頻定幅交流電 源,一個高品質的UPS或AVR不僅需要具有抵抗負載變動的能力,在 非線性負載下也需要具有低的總諧波失真(total harmonic distortion, THD)。 但因負載的多樣性與變動性,要達到此一目的並不是一件容易的事,因此發展出各種 類比與數位的控制方法[3]-[7]。近年來由於微電子技術的快速發 展,以微處理器或信號處理器(DSP)為基礎的數位控制方式已成為 AVR與UPS穩壓控制的未來發展趨勢[8]-[10]。

由內在模型定理(internal model principle)[11]可得知,欲消除週期性 誤差必須使系統的迴路轉移函數中含有此週期訊號的數學模型。以 此理論為基礎,近年來發展出的返覆控制理論[12]-[13],其目的即 在於提高系統追循週期性命令的能力並壓抑因外界干擾所產生的週 期性誤差。返覆控制器利用長時間累積的誤差資訊消除系統因外界 干擾所產生的週期性誤差,此一控制架構將回授控制的誤差消除由 瞬間變化量的抑制延伸到長時間的穩態誤差消除,對於週期性控制 系統的精度提升有很大的助益。週期性誤差在工業控制的領域中是 相當常見的問題,如機械臂的返覆運動、CNC的重覆加工、與交流 電源供應器的輸出電壓失真及交直流馬達的轉速漣波(speed ripple) 等,因而引起了學術界與工業界對消除週期性誤差的研究。近年來 返覆控制理論已日趨成熟,並且成功地應用於馬達轉速控制及磁碟 機讀寫頭控制等領域[14],但在交流電源供應系統的應用卻仍有待進 一步的研究[15]-[16],本計畫針對交流電源供應系統發展出一種全 數位式的返覆控制方法,以消除其波形失真,並以DSP將之實現。

UPS輸出電壓需要追隨週期性的弦波命令,而系統的相位延遲使得輸 出端產生週期性的追隨誤差。如果系統受到週期性的干擾,也會使 輸出電壓產生的週期性誤差。在UPS中,上述兩種誤差信號的頻率與 線電壓相同,皆為60Hz。

為了消除UPS的週期誤差,本計畫建構了如圖二的返覆控制系統,其中 c(z-1)、z-Nnz-M 分別代表平滑濾波器(smoothing filter)、正延遲與半延遲函數, NM分別稱為正延遲數和半延遲數,c(z-1) 與nz-M 負責抵消系統相位誤差並預做補償。 Q(z-1)與PB(z-1) 代表限頻濾波器(band-limit filter)與基本伺服迴路的數位轉移函數。 c(z-1)與nz-M 的設計取決 於基本伺服迴路PB(z-1) 的特性, 設計時必須考量系統的穩定性及誤差的收歛速度, 其中z-N是用來補償基本伺服迴路的相位延遲,設計者必須根據 PB(z-1)在工作頻率附近的相位延遲來決定N, 使返覆控制器就能專力於補償因外界週期性干擾所產生的誤差。

基本伺服迴路由脈寬調變換流器及狀態回授控制器組成,本身雖具 有相當的調節能力但是卻無法消除整流性負載所引起的週期性誤 差。圖三為基本伺服迴路在整流性負載下的輸出電壓波形及其頻 譜,由圖中可看出整流性負載會在短時間內汲取大量電流,基本伺 服迴路雖具有調節能力但無法徹底消除此一週期性干擾,此時輸出 電壓產生相當程度的扭曲,THD大約為4%左右。圖三所示的電壓波 形失真具有重覆的週期性現象,一般的線性控制架構僅著重於瞬時 誤差的補償,無法消除此一型態的誤差。根據前述的設計加入返覆 控制器後,輸出端電壓波形與頻譜如圖四所示。實驗結果顯示本計 畫所發展的返覆控制器幾乎能夠完全消除因整流性負載所引起的週 期性誤差,輸出電壓的THD大約只有1.4%左右。圖五為脈寬調變換 流器在返覆控制下,由干擾源到輸出電壓誤差之轉移函數的頻率響應。 由圖中可以看出,干擾源到輸出電壓的增益在60Hz、120Hz、180Hz、...等頻率 特別低。由頻域的角度觀之,返覆控制器能降低與基頻及其諧波同 頻率的干擾對系統的影響,這就是返覆控制器能消除週期性誤差的 原因。

本研究採用德州儀器(T.I.)公司所生產的單晶片DSP TMS320C14來實 現前述的數位控制器,圖六是以TMS320C14為核心所設計的數位控制 器的系統方塊圖。本計畫採用電路模擬軟體EMTP進行系統模擬 [10],藉以評估返覆控制理論的可行性。EMTP能同時提供電路模型 與高階控制系統模擬語言,尤其重要的是它能夠模擬採用數位控制 的電力電子轉換系統,此一功能在應用數位控制或智慧型控制於電力電子 系統的研究過程中是相當重要的。

B、研究成果

本計畫共執行兩年六個月,分為三個階段,第一階段進行可變 結構控制理論應用於不中斷電源供應系統(UPS)之評估與研究,分析 傳統可變結構順滑模態控制法則的缺失,並據此發展出一種新的順 滑模態控制架構-數位式前饋順滑模態控制。此一架構除了保有傳 統順滑模態控制的強韌特性外,更進一步改善傳統法則無可避免的 抖動現象,使受控體能具有較佳的穩態特性。本計畫同時亦推導UPS 脈寬調變換流器的數學模型,並依據此一模型發展UPS的電腦模擬軟 體,以便於進行數位式順滑模態控制器的分析與設計。本階段計畫 最後研製完成以功率元件IGBT為基礎的脈寬調變換流器並配合高性 能DSP (TMS320C14)進行閉迴路控制實驗。經電腦模擬分析及實驗結 果證實,本計畫所研發的數位式前饋順滑模態控制器的確具有良好 的穩態及弦波輸出追蹤特性。

本計畫第二階段發展出一種以DSP為基礎應用於UPS系統的前饋 補償式模糊控制方法。在採用脈寬調變器的交流電源穩壓系統中, 由於負載的多樣性與不確定性,使得系統數學模型難以建立,因此 本研究提出一種具有前饋非線性補償的模糊控制方法,期能突破因 欠缺系統模型資訊而遭遇的瓶頸。我們根據實驗及模擬結果建立了 一組模糊控制法則,並根據系統的非線性特性設計了一個前饋補償 器以加強系統在低脈寬調變時之迴路增益。為了降低決策表在低解 析度時因數值量化誤差而產生的波形抖動現象並兼顧系統有限的記 憶體與計算速度,本研究發展出一種能快速計算的二維內差法以提 高決策表的解析度。為了驗證所提出的控制方法,本計畫利用前階 段所發展的DSP實現此模糊控制器。實驗結果顯示本計畫提出的前饋 非線性補償式模糊控制方法能在缺乏詳細系統模型的情況下,仍能 有效地補償交流穩壓系統因負載變動所造成的波形失真。

本計畫的第二階段改採用智慧型功率模組(intelligent power module, IPM) 脈寬調變換流器取代原先的IGBT來設計。同時將前階段所發展的 DSP控制器重新設計,並完成PCB的製作。圖七為所研製之數位控制 式交流電源供應系統之實體圖,圖中上層電路板為DSP控制板,下層 為以IPM為基礎之功率級,右側為輸出濾波器與負載。

本計畫的第三階段將研究重心由UPS暫態響應的改善轉移至週期性穩 態誤差的消除,探討返覆控制理論於交流電源穩壓系統之應用。此 一控制理論將回授控制的立足點由瞬間變化量的抑制延伸到長時間 的穩態誤差消除,對於控制精度的提升有很大的助益。本計畫利用 長時間累積的誤差資訊,透過返覆控制器消除整流性負載對UPS輸出 電壓所造成的干擾。實驗與模擬結果顯示本文所設計的UPS數位控制 器,空載時THD=0.9%,線性負載滿載時THD=1.0%,整流性負載時 THD=1.4%。本研究所提出之返覆控制法則,可設計出高品質的微電 腦控制UPS,使其輸出電壓具有低總諧波失真(THD)、低穩態誤差及 良好暫態響應等特性。本研究首次在國內完成以DSP為基礎的交流電 源穩壓返覆控制並獲致良好的動態響應,峰均值(crest factor)為3.0時 之整流濾波負載THD約為1.4%,遠低於一般工業標準規格(5 %)。本 計畫之學術研究已有相關論文發表[18]-[22],關鍵技術正進行專利 申請中。

三、結論與討論

本計畫執行至今,已分別針對可變結構控制理論[18]-[19]、模糊控 制理論[20]、及返覆控制理論應用於UPS穩壓控制進行評估與研究 [21]-[22]。所發展的各種控制器皆以數位化的方式進行設計,再利 用單晶片DSP予以實現。數位式UPS與傳統類比式UPS比較,前者不 僅具有較佳的響應,同時仍有餘裕得以處理UPS系統中其他的偵測與 程序控制問題。由於以軟體方式取代了大量的類比電路,不僅降低 了生產與維修成本,也可以大幅提高產品的附加價值。綜合三個階 段的研究成果可以看出,可變結構順滑模態控制器具有抗拒系統參 數變化及外界干擾的穩健特性,對於改善UPS輸出電壓因負載變化所 產生的暫態響應有很大的助益。返覆控制器能在不影響系統暫態特 性的情況下消除UPS因整流性負載所導致的週期性電壓失真,有效降 諧波成份並改善輸出電壓的品質。若能結合上述兩種控制架構並配 合智慧化的模糊推論機構隨時修改相關的控制參數,應能發展出自 我調適功能的智慧型UPS。展望未來,如何利用DSP的快速計算能力 將操作頻率由60Hz提升至更高頻,同時應用於航太電源供應系統與太 陽能電池儲能系統的電力流向控制與智慧型控制,仍然有待後續的探討 與研究。

四、參考文獻

  1. M. James, "Specification and requirement for uninterruptible power systems," IEEE Intellec. Conf. Rec., Washington, 1979.

  2. Griffth, D.C., Uninterruptible Power Supplies: Power Conditioners forCritical Equipment, Marcel Dekker, Inc., New York, 1989.

  3. A. Kernick, D. L. Stechschulte, and D. W. Shireman, "Static inverter with synchronous output waveform synthesized by time-optimal response feedback," IEEE Trans. on IECI, vol. 24, no. 4, pp. 197-305, 1977.

  4. Y. Sekino, M. Shibata, and N. Hotaka, "Inverter output voltage waveform closed-loop control technique,'' INTELEC Tokyo, pp. 205-212, Oct. 1983.

  5. A. Kawamura, R. Hoft, ''Instantaneous feedback controlled PWM inverter with Adaptive hysteresis,'' IEEE Trans. Industry Applications, vol. 20, no. 4, pp. 769-775, 1984.

  6. Han-Ju Cha, et al. ''Real-time digital control of PWM inverter with PI compensator for uninterruptible power supply,'' Int. Conf. Ind. Electronics Contr. and Inst., vol. 2, pp. 1125-1128, 1990.

  7. C. Hua and R. G. Hoft, ''High performance deadbeat controlled PWM inverter using a current source compensator for nonlinear loads,'' IEEE PESC Conf. Rec., pp. 443-450, 1992.

  8. B. K. Bose, Editor, Microcomputer Control of Power Electronics and Drives, IEEE Press, 1987.

  9. H. Le-Huy, "Microprocessors and digital IC's for motion control," Proc. of IEEE, pp. 1140-1163, Aug. 1994.

  10. Digital Signal Processing Applications with TMS 320 Family: Volume I, II, and III, Texas Instruments, 1986.

  11. Francis, B.A., and W.M. Wonham, "The internal model principle for linear multivariable regulators," Appl. Math. and Opt., vol. 2-2, pp. 170-194, 1975.

  12. S. Hara, Y. Yamammoto, T. Omata and M. Nakano, "Repetitive control system:a new type servo system for periodic exogenous signals,'' IEEE Trans. Automatic Contr., vol. 33. no. 7, pp. 659-66, 1988.

  13. M. Tomizuka, T. C. Tsao, K. K. Chew, "Discrete-time domain analysis and synthesis of repetitive controller,'' in Proc. Amer. Contr. Conf., pp. 860-866,1988.

  14. K. K. Chew and M. Tomizuka, "Digital control of repetitive errors in disk-drive systems,'' IEEE Contr. Syst., vol. 10, no. 1, pp. 16-20, 1990.

  15. T. Inoue and M. Nakano, "High accuracy control of a proton synchrotron magnet powr supply,'' IFAC, vol. XX, pp. 216-221, 1981.

  16. T. Haneyoshi, A. Kawamura, and R. G. Hoft, ''Waveform compensation of PWM inverter with cyclic fluctuating loads,'' in Proc. Ind. Appl. Conf., pp. 744-751, 1986.

  17. The EMTP User's Guide, 1993.

  18. S. L. Jung and Y. Y. Tzou, ''Sliding mode control of a closed-loop regulated PWM inverter under large load variations,'' IEEE PESC Conf. Rec., June 1993.

  19. S. L. Jung and Y. Y. Tzou, "Discrete feedforward sliding mode control of a PWM inverter for sinusoidal waveform synthesis," IEEE PESC'94 Conference Record, pp. 552-559,Taipei, Taiwan, R.O.C., 1994.

  20. Y. Y. Tzou and R. S. Ou, "DSP-based feedforward fuzzy control of a PWM inverter for ac voltage regulation," Journal of Control Systems and Technology, vol. 2, no. 4., pp. 231-238, Oct. 1994.

  21. S. L. Jung, L. H. Ho, H. C. Yeh and Y. Y. Tzou, "DSP-based digital control of a PWM inverter for sine wave tracking by optimal state feedback technique," IEEE PESC'94 Conference Record, pp. 546-551,Taipei, Taiwan, R.O.C., 1994.

  22. H. C. Yeh and Y. Y. Tzou "Adaptive repetitive control of a PWM inverter for AC voltage regulation with low harmonic distortion," IEEE PESC'95 Conference Record, pp. 157-163,Atlanta, Georgia, USA, 1995.


Copyright © 1987-2000 by PEMCLAB, NCTU, TAIWAN.