逆变电源的数字控制技术

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0 嵌入式重复控制框图 ’1—给定信号； ’2—扰动信号； ()!*—控制对象； ’3—实 际 输
出值； !("—周期延迟环节； #)!*—补偿器。 图$ 重复控制系统框图
/ 一般重复控制框图
焊 接 精 萃 — — 逆 变 式 焊 机 技 术 的 发 展
将模糊控制应用于逆变器， 其优点为： !" 模糊控制 器的设计不需被控对象的精确数学模型， 并且有较 强的鲁棒性和自适应性； #" 查找模糊控制表只需占 处理器很少的时间， 可采用较高采样率来补偿模糊 规则和实际经验的偏差。 将输出电压和滤波电感电流反馈即电压误差 和电感电流作为输入模糊变量， 可以实现逆变器的 模糊控制。 整流性负载时， 其输出电压 $%&+,- 。 将 模糊控制与无差拍控制相结合， 可用来补偿由于 非线性负载导致的电压降落， 其系统框图如图 & 所
!"#$%&’$ (#")’*+ ,展
第 $& 卷
不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度， 就能在负载上获得谐波失真小的输出， 即使在很低 的开关频率下， 无差拍控制也能够保证输出波形的 质量， 这是其他 控制方法所不能做到的。 但 其也 有 局限性： 输出脉冲 !" 由于采样和计算时间的延迟， 的占空比受到很大限制； #" 对于系统参数的变化反 应灵敏， 如电源电压波动、 负载变动， 系统的鲁棒性 差。 对于采样和计算延时的影响， 一种方法是通过 修改输出脉冲方式的方法来减小计算延时造成的 占空比局限； 另一种方法是通过状态观测器对系统 状态提前进行预测， 用观测值替代实际值进行控制， 从而避免采样和计算延时对系统的影响。 为了提高 系统的鲁棒性， 一种方法是采用负载电流预测方法 来减小负载变动对电源输出的影响， 但实际改善的 程度有限； 另一种可行的方法是对系统参数进行在 线辨识， 从而实时确定控制器参数， 以达到良好的 控制效果。 在线系统辨识的计算复杂度和存储量都 非常大， 一般的微处理器很难在短时间内完成， 因此 实现的可能性不大。 到目前为止， 还没有一种比较好 的方法来解决无差拍控制鲁棒性差的问题。 由于无 差拍控制在电源控制中的不足以及局限性至今还 难以解决， 使得无差拍控制在工业界的应用还有待 于深入研究。
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逆变电源的数字化控制现状
随着电机控制专用 P5U 的出现， 控制理论普遍
发展， 使得逆变电源的控制技术朝着全数字化、 智能 化以及网络化的方向发展， 逆变电源的数字控制技 术发生了一次大的飞跃。 其优点在于各种控制策略 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， 同时也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。 而且易组成高可靠性的大 规模逆变电源并联运行系统。
&’ 。 周期延迟环 重复控制系统框图如图 $ 所示 %$，
的模糊信息处理能力。 它对系统的控制是以人的经验 为依据的， 而人的经验正是反映人在思维过程中的判 断、 推理、 归纳。理论证明， 模糊控制可以任意精度 逼近任一线性函数， 但受到当前技术水平的限制， 模 糊 变 量 的 分 档 和 模 糊 规 则 都 受 到 一 定 的 限制， 隶属函数的确定还没有统一的理论指导， 带有一定的 人为因素， 因此， 模糊控制的精度有待于进一步提 高。
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逆变式焊机技术的发展
周
洁： 逆变电源的数字控制技术
第 )+ 期
数字化是逆变电源发展的主要方向， 但还存在 许多难题需要解决： !" 逆变电源输出要跟踪的是一 个按正弦规律变化的给定信号， 它不同于一般的开 关电源的常值控制。 在闭环控制下， 给定信号与反 馈信号的时间差体现出明显的相位差， 这种相位差 与负载密切相关 ， 给 控 制 器 的 设 计 带 来 了 困难； #" 逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大， 输 入电压的波动幅值和负载的性质、 大小的变化范围 往往比较大， 这些都增加了控制对象的复杂性， 使 得控制对象模型的高阶性、 不确定性、 非线性显著 增加； $" 对 于 数 字 式 !"# 都 存 在 一 个 开 关 周期 的失控区间。 一般是在每个开关周期的开始或上个 周期末来确定本次脉冲的宽度， 即使这时系统发生 了变化， 也只能在下一个开关周期对脉冲宽度作出 调整。 所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛 的关注。
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数字 ’() 控制
参数易于整定等特点得到 !$% 控制以其简单、 了广泛应用。 逆变器采用模拟 !$% 控制时， 如果只是 输出电压的瞬时值反馈， 其动态性能和非线性负载 时的性能不会令人满意； 如果是输出滤波电感或输 出滤波电容的电流瞬时值引入反馈， 其性能将得到 较大改进。 然而， 庞大的模拟控制电路使得控制系统 的可靠性下降、 调试复杂、 不易于整定。 数字信号处 理芯片的出现使得这个问题迅速得到解决， 如今各 种补偿措施以及控制方式可以很方便地应用于逆 变电源的数字 !$% 控制中， 控制器参数修改方便， 调 试简单。 数字 !$% 控制算法应用到逆变电源的控制中， 不可避免的产生了一些局限性。 一方面是系统的采 样量化误差降低了算法的分辨率， 使得 !$% 调节器 的精度变差； 另一方面， 采样和计算延迟使得被控 系统成为一个具有纯时间滞后系统， 造成 !$% 控制 器设计 的困难， 稳定性减小。 随着高速信号处理器 数字 !$% 控制技术在逆变 %&! 和高速 ’!% 的发展，
收稿日期： ,##-+#M+$作者简介： 周 洁!$NM)—%， 女， 江西吉安人， 在读硕士， 主要从
事电力电子技术的研究与开发工作。
或 UQR! 脉宽调制 % 口发出开关控制信号。 微处理器 还能将采集的功率变换装置工作数据显示或传送 至计算机保存。 一些控制中所用到的参考值可以存 储在微处理器的存储器中， 并对电路进行实时监控。 微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的 性能， 但由于微处理器运算速度的限制， 这类电路 控制系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件。 近年来随着大 规 模 集成电路 D5F* 、 现代可编程逻 辑器件 VUWD 以及数字信号处理器 P5U 技术的发 展， 使逆变电源的全数字控制成为现实。 P5U 能够实 时读取逆变电源的输出， 并实时计算 UQR 输出值， 使得一些先进的控制策略应用于逆变电源的控制 成为可能， 从而可对非线性负载动态变化时产生的 谐波进行动态补偿， 将输出谐波达到可以接受的水 平。
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焊 接 精 萃 — — 逆 变 式 焊 机 技 术 的 发 展
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引言
逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆 变技术， 使传统的工频整流电源的材料减少 (#ST 节能 ,#ST"#S ， 动态反映速度提高 ,T" 个数 N#S ， 量级， 并向着高频化、 轻量化、 模块化、 智能化和大 容量化方向发展。 同时随着网络技术的发展， 对逆变 电源的网络功能也提出了更高的要求， 高性能的逆 变电源必须满足： 低输出阻抗； +0 高输入功率因数， 稳态精度高； 效 10 快速的暂态响应， %0 稳定性高， 率高， 可靠性高； #0 低的电磁干扰； /0 完善的网络 功能。 传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字 相结合的控制系统。 虽然模拟控制技术已经非常成 熟， 但其存在很多固有的缺点： +0 控制电路的元器 件比较多， 电路复杂， 所占的体积较大。 10 灵活性不 够， 硬件电路设计好了， 控制策略就无法改变。 %0 不便 于调试， 由于所采用器件特性的差异， 致使电源一 致性差， 且模拟器件工作点的漂移导致系统参数的 漂移。 模拟方式很难实现逆变电源的并联， 所以逆变 电源的数字化控制是发展的趋势， 是现代逆变电源 研究的一个热点。 以前为了改善系统的控制性能， 通过 D!P!模拟! 数字 % 转换器将微处理器 与 系 统 相 连 ， 在微处理器 中实现数字控制算法， 然后通过 F!0! 输 入!输 出 % 口
.’ 示%,， 。 模糊控制从模仿人的思维外特性入手， 模仿人
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重复控制
逆变器采用重复控制是为了克服整流型非线
性负载引起的输出波形周期性畸变， 通常与其他 重复控制的思想是假定前一 !"# 控制方式相结合。 周期出现的基波波形将在下一基波周期的同一时 间重复出现， 控制器根据给定信号和反馈信号的误 差来确定所需的校正信号， 然后在下一个基波周期 的同一时间将此信号叠加到原控制信号上， 以消除 后面各周期中将出现的重复畸变。
电源的控制中会有进一步的应用。
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滑模变结构控制
滑模变结构控制最显著的特点是对参数变化
和外部扰动不敏感， 即强鲁棒性加上其固有的开关 特性， 因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。 基于微处理器的离散滑模控制使逆变器输出 波形有较好的暂态响应， 但系统的稳态性能不是很 暂态性 理想。 具有前馈控制的离散滑模控制系统()*， 能和稳态精度得到提高， 如图 ) 所示。 如果系统过载 时， 滑模控制器的负担将变得非常重， 自矫正离散 如图 + 所示。 逆变器 滑模控制可以解决这个问题(+*， 的控制器由参数自适应的线性前馈控制器和非线 性滑模控制器组成， 滑模控制器仅在负载导致输出 电压变化时产生控制力， 稳态的控制力主要由前馈 控制器提供， 滑模控制器的切换面 , 超平面 - 是根据 优化准则进行设计的。
补 偿 器 # )!* 提 节 !(" 对控制器进行超前相位补 偿 ； 供相位补偿和幅值补偿， 以保证控制系统的稳定性， 并改善输出波形。 重复控制使系统获得了很好的静态性能， 且易 于实现， 但该技术却不能够获得好的动态性能。
图+ 自矫正离散滑模控制系统
焊 接 精 萃 — — 逆 变 式 焊 机 技 术 的 发 展
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无差拍控制
无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式，
其控制的基本思想是将输出正弦参考波等间隔的 划分为若干个取样周期， 根据电路在每一取样周期 的起始值， 用电路理论算出关于取样周期中心对称 的方波脉冲作用下， 负载输出在取样周期末尾时的 值。 这个输出值的大小与方波脉冲的极性和宽度有 关， 适当控制方波脉冲的极性和宽度， 就能使负载 上的输出在取样周期末后与输出参考波形相重合，
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周
洁
江西 南昌 ""##$"% !华东交通大学 电气与电子工程学院，
详细介绍了逆变电源数字化控制的几种控制策略， 指出了逆变电源数字控制技术发展的趋势。 摘要： 电源； 逆变器； 数字控制 关键词： 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： &’() * $##$+,"#"!,##-%$,+###(+#-
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逆变电源的数字化控制技术
逆变电源的数字控制方法成为当今电源研究
领域的一个热点， 与数字化相对应， 各种各样的离 散控制方法也纷纷涌现， 包括数字 !$% 控制、 无差 拍控制、 数字滑变结构控制、 模糊控制以及各种神 经网络控制等， 从而有力地推动逆变电源控制技术 的发展。
图) 具有前馈控制的离散滑模控制系统