逆变电源PI双环数字控制技术研究

在这种控制结构下 ,不难分析控制系统的性能 。 根据图 2 ,可推导出电感电流内环的闭环传递函数 :
Gil ( s)
=
C ( k2p s + k2 i ) L Cs2 + ( rC + Ck2p ) s + 1 +
Ck2 i
(7)
在输入电压指令下 ,电压外环的闭环传函为 :
Gur ( s)
=
( k1p s + k1 i ) ( k2p s + k2 i ) LC D ( s)
将开关管视为理想环节 ,那么逆变桥在整个系 统中可以看成功率放大器 。对于 LC 滤波器而言 ,
收稿日期 :2004209205 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50237020 和 50007004) 作者简介 :舒为亮 (19802) , 男 , 湖南籍 , 硕士研究生 , 主攻逆变电源波形控制及 UPS 并联技术 ;
G1 ( s)
=
k1p
+
k1 i s
(2)
G2 ( s)
=
k2 p +
k2 i s
(3)
那么 ,可得该控制系统的传递函数 :
U0 ( s)
=
( k1p s
+ k1 i ) ( k2p s LC D ( s)
+
k2i )
Ur ( s)
-
s2 ( sL + r) LC
- (1 D ( s)
k) k2p s I0 ( s)
(8)
在输出电流扰动下 ,电压外环的闭环传函为 :
Gio ( s)
=-
s2 ( sL + r) LC
- (1 D ( s)
k) k2p s
(9)
将逆变器及控制系统参数代入 (7) 、(8) 、(9) ,可
得内环和外环的幅频 、相频曲线 。易知 :电流调节器
内环带宽很宽 ,响应速度非常快 ,而且有足够的相角
但是 ,负载电流 io 作为逆变器的外部扰动信 号 ,处在电感电流环之外 ,不能很好地抑制负载扰 动 ,动态性能不够理想 。为改善抗负载扰动性能 ,电 流内环引入负载电流前馈 ,从而得到图 2 所示的改 进了 的 逆 变 器 电 感 电 流 内 环 电 压 外 环 控 制 系 统
框图 。
图 2 带输出电流前馈双环控制系统框图 Fig. 2 Frame of dual2loop controller with feed2forward of output current
因此限幅值的大小就是限流电流的大小 。根据实际
系统器件参数设计 ,就可以对逆变器提供过流保护 。
6 实验结果
为了验证上述数字双环控制方案 ,搭建了一台 实验样机 ,并取得了预期的实验效果 。
直流输入 ±350V ,交流滤波电感 01535mH ,交流 滤波电容 50μF ,死区时间 016μs ,控制芯片采用 TI 公 司的 TMS320LF2407A 。
图 5 输出电压电流波形 Fig. 5 Waveform of output voltage and current
7 结论
实验结果表明 ,这种采用极点配置方法设计的
PI 双环数字控制系统 ,不仅参数设计简单 ,能获得
段善旭 (19702) , 男 , 湖北籍 , 副教授 , 博士 , 主攻电力电子装置和系统的全数字化控制技术 ; 康 勇 (19652) , 男 , 湖北籍 , 教授 , 博士 , 主攻电力电子装置 、系统及控制技术 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(4)
易知 ,整个系统的闭环特征方程为 :
D ( s)
=
s4 +
rC
+ L
Ck2p C
s3
1 +
+
k1p k2p LC
+
Ck2 i s2
+
k1p
k2 i + LC
k2p
k1 i s
+
k1 i k2 i LC
(5)
上述系统是一个四阶系统 ,很难分析其性能 ,参
数设计亦较复杂 。
3 控制系统极点配置与性能分析
电感电流内环采用 PI 调节器跟踪电流给定 , 整个系统工作稳定 ,并且有很强的鲁棒性 。电压外 环也采用 PI 调节器 ,使输出电压波形瞬时跟踪给 定值 。这种电感电流内环输出电压外环的 PI 双环 控制结构可以加快动态响应速度 ,而且减小静态误 差 ,可以达到电容电流反馈的效果 。
电压调节器 、电流调节器分别为 :
il ( k + 1) = ( Ad - HCd ) iL ( k) +
ui ( k)
B d io ( k) + Huo ( k)
(10)
软件上 , uo ( k + 1) 、il ( k + 1) 和 u ( k + 1) 很容
易数字实现 。
5 限流功能的实现
逆变器的双环控制系统如果能对电感电流大小 进行幅值限制 ,那么在逆变器的输出端由于负载或
逆变器的电压电流双环控制分为两类 :滤波电 容电流内环输出电压外环的控制和滤波电感电流内
环输出电压外环的控制 。
滤波电容电流内环控制系统动态性能好 ,抗负 载扰动能力强[3] ,但是不能对逆变电源设备提供过 流保护 。只有限制滤波电感的电流 ,才能做到对逆 变电源的限流保护 ,因此选择了电感电流内环的控 制方案 。
对于这样的高阶系统 ,为了得到所需要的动态 性能和稳态性能 ,我们的处理方法是 :将其中两个极
点配置为一对共轭极点 ,另外两个极点配置在距虚
轴很远的地方 。
假设 该 系 统 的 期 望 闭 环 主 导 极 点 为 s1 ,2 =
- ζrωr ±jωr 1 - 来自百度文库2r , 闭 环 非 主 导 极 点 为 s3 ,4 =
随着工业用高速数字信号处理器 (DSP) 的发
展 ,使得正弦波逆变电源采用全数字化控制变得可 能 。采用数字化控制 ,不仅可以大大减小控制电路 的复杂程度 ,提高电源设计和制造的灵活性 ,而且可 以采用各种先进的控制方法 ,提高逆变电源系统的 输出波形质量和可靠性[5] 。本文就是采用全数字化 实现的电压电流双环控制方案 。
2 逆变器及控制系统模型
控制对象为单相半桥逆变器 ,如图 1 所示 :
图 1 单相半桥逆变器电路 Fig. 1 Main circuit of single phase half bridge inverter
uo 为逆变器输出电压 , r 为逆变器等效串联电 阻 (包括线路电阻 、电感电阻等) 。
(华中科技大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074)
摘要 : 本文分析了正弦波逆变电源实际应用情况和数字控制的特点 ,提出了一种带输出电流前馈
的 PI 双环 (输出电压外环滤波电感电流内环) 数字化控制方案 ,利用极点配置的方法设计控制系统
参数 ,并根据实际系统模型设计了输出电压和电感电流的状态观测器 ,最后给出了各种实验条件
控制器与观测器原理框图如图 3 所示 :
其它原因产生的过流就不会造成逆变器的损坏 。
电感电流限幅功能在
电感电流内环电压外环控
制系统中很容易实现 ,只
需要在电流内环给定处加
一个限幅环节即可 。 电流内环的给定由
电流调节器 PI 环节跟踪 ,
图 4 限流环节 Fig. 4 Current limitation
1 引言
以前 ,正弦波逆变器大多采用输出电压均值环 来维持输出电压的恒定 。但是 ,这种控制方式不能 保证输出电压的波形质量 ,特别是在非线性负载条 件下输出电压波形畸变严重 ,失真很大 ;在突加 、减 负载时输出电压动态性能难以满足用户的要求 。
采用瞬时值控制方案可以在运行过程中实时地 调控输出电压波形 ,提高逆变电源的供电质量 。其 中 ,应用较多的有 :电压单环 PID 控制 ,电压电流双 环控 制 , 滞 环 控 制 , 重 复 控 制 , 滑 模 变 结 构 控 制 等[1 ,2] 。目前 ,电压外环电流内环的双环控制方案是 高性能逆变电源的发展方向之一[1～4] 。双环控制方 案的电流内环加大了逆变器控制系统的带宽 ,使得 逆变器动态响应加快 ,输出电压的谐波含量减小 ,非 线性负载适应能力加强 。在双环控制方案中 ,可以 分为电容电流内环和电感电流内环两种 ,但是 ,在实 际应用中为了能对逆变电源实施限流保护 ,本文提 出了一种带输出电流前馈的电感电流内环控制方 案 ,实时限制电感电流的大小 ,瞬时调控输出电压波 形 ,并有利于实现在线式正弦波 UPS 电源的并联运 行[2] 。
下的实验波形 。实验结果表明 ,该方案设计简单 、实用 ,能很好地达到逆变电源输出的各项性能指
标要求 。
关键词 : 双环控制 ; 全数字控制 ; 极点配置 ; 状态观测器 ; 限流
中图分类号 : TM464 文献标识码 : A
文章编号 : 100323076 (2005) 0220052203
第2期
舒为亮 ,等 : 逆变电源 PI 双环数字控制技术研究
53
输入量有两个 : 桥臂中点电压 ui 和负载电流扰动 io ,整个逆变器的状态方程可列写如下 :
uo
-
1 rC
1 C
uo
0
-
1 C
ui
=
+
iL
-
1 L
-
r L
iL
1 L
0
io
(1) 但是 ,原系统在空载时是一个弱阻尼系统 ,对扰 动抑制能力很弱 ,因而需要采用一定的控制手段加 大整个系统的阻尼 ,达到快速性和稳定性的要求 。
采用数字控制方法 ,因为采样与计算带来的延 迟 ,使得逆变器控制滞后一拍 ,为了补偿时间上的延 迟 ,那么就需要采用预测算法 ,使控制量超前一拍 。 再者 ,有些物理量不便于测量 ,或者为了减少一个检 测环节 ,可以由系统模型并根据已知状态观测出来 。 这里滤波电感电流和输出电压为观测值 ,减少了一 个电流采样传感器 。
裕度 ;电压外环相角裕度 、幅值裕度也很大 。该双环
控制系统对基波的增益接近 1 ,反映了系统稳态性
能非常好 ;在低频段对负载扰动的衰减倍数大 ,具有 很强的负载扰动抑制能力 。
4 数字实现与观测器设计
采用数字化控制 ,不仅可以大大减小控制电路
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 3 控制器与观测器原理框图 Fig. 3 Frame of controller and observer
G( k) 为控制器传递函数 。
由分离特性 ,控制器和观测器可以单独设计 。
观测器也可以通过极点配置的方法设计出反馈矩阵
H。
那么 ,可得观测器动态方程 :
uo ( k + 1)
uo ( k)
第 24 卷 第 2 期 2005 年 4 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol . 24 , No. 2 Apr. 2005
逆变电源 PI 双环数字控制技术研究
舒为亮 , 张昌盛 , 段善旭 , 康 勇
54
电工电能新技术
第 24 卷
的复杂程度 ,提高电源设计的灵活性 ,而且可以采用 先进的控制方法 ,提高逆变电源的输出电压波形质 量和可靠性 。
但是 ,数字域和模拟域存在很大的不同 ,必须加 以特别的处理 。
如果数字控制系统中存在积分环节 ,采样和整 量化时就会带来累积误差 ,从而使控制系统产生控 制偏量 ,偏量不断增大 ,最终会导致整个系统崩溃 。 其实 ,在数字控制系统中 ,只要在积分环节上加入一 个适当的惯性并且对误差和控制量限幅 ,这样的问 题就能很容易地解决 。
阻性满载 (输出电流有效值 44A) 时 ,输出电压 THD = 1135 % ,如图 5 (a) 所示 ;带有效值 16A 非线性 负载 ,波峰因子为 2178 时 ,输出电压 THD = 2146 % , 如图 5 ( b) 所示 ;突加阻性满载时 ,输出电压电流波 形如图 5 (c) 所示 ;当滤波电感电流超出限定值时 , 输出电压电流波形如图 5 (d) 所示 。
- mζrωr ,那么控制系统的期望特征方程为 :
Dr ( s) = ( s2 + 2ζrωr s + ω2r ) ( s + mζrωr ) 2 (6)
取
ζ r
=
017 , m
=
5
10 ,ωr 略小于 L C 谐振频
率 。比较式 (5) 、(6) ,可得基于极点配置设计的双环
控制系统控制器参数 。