基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器研究

1、基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器研究摘要：研究了一種基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器控制技術(shù)，該方案在電流 環(huán)和瞬時電壓環(huán)之外附加了一個重復控制環(huán)。在實現(xiàn)輸出電壓解耦和擾動電流 補償后，根據(jù)無差拍原理設(shè)計的雙環(huán)控制器使逆變器達到了很快的動態(tài)響應(yīng)速 度；位于外層的重復控制器則提高了穩(wěn)態(tài)精度。該方案在一臺基于DSPTMS320F24控制系統(tǒng)的PW逆變器上得到驗證。關(guān)鍵詞：逆變器；雙環(huán)；無差拍；重復控制引言 隨著閉環(huán)調(diào)節(jié)PWMK變器在中小功率場合中的大量使用，對其輸出電壓波形的 要求也越來越高。高質(zhì)量的輸出波形不僅要求穩(wěn)態(tài)精度高而且要求動態(tài)響應(yīng) 快。傳統(tǒng)的單閉環(huán)系統(tǒng)無法充分利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息，因此，將輸

2、出反饋改為狀態(tài) 反饋，在狀態(tài)空間上通過合理選擇反饋增益矩陣來改變逆變器一對太接近s域虛軸的極點，增加其阻尼，能達到較好的動態(tài)效果。單閉環(huán)在抵抗負載擾動方 面與直流電機類似，只有當負載擾動的影響最終在輸出端表現(xiàn)出來以后，才能 出現(xiàn)相應(yīng)的誤差信號激勵調(diào)節(jié)器，增設(shè)一個電流環(huán)限制啟動電流和構(gòu)成電流隨 動系統(tǒng)也可以大大加快抵御擾動的動態(tài)過程。瞬時值反饋采取提高系統(tǒng)動態(tài)響 應(yīng)的方法消除跟蹤誤差，但靜態(tài)特性不佳，而基于周期的控制是通過對誤差的 周期性補償，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差的效果，它主要分為重復控制和諧波反饋控制。本文提出了一種基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器控制方案，兼顧逆變器動靜 態(tài)效應(yīng)，另外使用狀態(tài)觀測器提

3、高數(shù)字控制系統(tǒng)性能。1逆變器數(shù)學模型單相半橋逆變器如圖1所示，L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，負載任 意，r是輸出電感等效電阻和死區(qū)等各種阻尼因素的綜和。 U是逆變橋輸出的 PWNfe壓。選擇電感電流iL和電容電壓vc作為狀態(tài)變量，id看作擾動輸入，得到半橋逆 變器的連續(xù)狀態(tài)平均空間模型為根據(jù)式，很容易得到逆變器在頻域下的方框圖，如圖 2所示。PW逆變器的 動態(tài)模型和直流電機相似，轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的設(shè)計方法在這里也適用。本文借鑒 直流電機雙環(huán)控制技術(shù)，并改造成為多環(huán)控制系統(tǒng)，在逆變器波形控制上取得 了很好的效果。2控制方案分析本控制方案包括雙環(huán)控制系統(tǒng)和位居外層的重復控制系統(tǒng)。在瞬時波形控制場

4、 合，控制算法的執(zhí)行時間和 A/D轉(zhuǎn)換延時相對于采樣周期通常不可忽略，有必 要采用狀態(tài)觀測器，利用其預測功能將控制算法提前一拍進行。本方案采用無 差拍觀測器對輸出電壓和電感電流進行預測。2. 1雙環(huán)控制雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，Z (s)是未知的負載。需要檢測和反饋的信號 有三個，即電感電流iL，輸出電壓vc，負載電流id。電感電流檢測為電流環(huán) 而設(shè)。與直流電機相似，檢測輸出電壓不僅用于電壓瞬時波形控制而且實現(xiàn)輸 出電壓解耦，消除輸出電壓對電流環(huán)的擾動，減輕電流環(huán)控制器的負擔。同 樣，負載電流對瞬時電壓環(huán)來說也是一個外部擾動，補償負載電流能有效抑制 其對輸出波形的影響，提高穩(wěn)態(tài)精度。正是由于

5、對負載電流進行了補償，電流 環(huán)無須對負載電流的擾動進行抑制，所以，本方案沒有反饋電容電流，而將擾 動包含在反饋環(huán)路的前向通道內(nèi)。若采用電容電流反饋，要得到良好的擾動抑 制效果，必將導致電流環(huán)的增益過大。這不僅對穩(wěn)定性不利，而且造成超調(diào)增 大，電流跟蹤的快速性受影響。模擬控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點離虛軸越遠則動態(tài)響應(yīng)越快，但無法將其配置到s平面的負無窮處，而s平面的負無窮被映射到z平面原點，若將數(shù)字控制系統(tǒng)的 閉環(huán)極點全部配置到平面原點，則可以達到極快的動態(tài)響應(yīng)速度，這就是所謂 的無差拍技術(shù)。由于本方案實現(xiàn)了輸出電壓解耦和負載電流補償，電流環(huán)和電壓環(huán)的結(jié)構(gòu)大大 簡化，控制器的設(shè)計可以簡單到僅僅采用P環(huán)節(jié)

6、。這里采用無差拍原理確定電流環(huán)控制器KC和瞬時電壓環(huán)控制器KV2.1.1電流環(huán)設(shè)計圖4(a)所示為電流環(huán)框圖，為了實現(xiàn)輸出電壓交叉反饋解耦，控制算法由式(2)給出。vcom(k)=KC iL 衣(k) iL(k)+ vc(k) (2)式中：iL *是電感電流指令；vcom是電流環(huán)計算出的控制量。圖4(b)是解耦后簡化的電流環(huán)框圖，ZOH是零階保持器。采用零階保持器法將控制對象離散化。Gc(z)=Z(1-e -ts)/s)(1/L)/(s+a)=1/r(1-e -aT)/(z-e -aT) (3)式中：T是采樣周期；a=r/L。閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程是根據(jù)無差拍原理，將其特征根全部配置在原點，于是有

7、2.1.2瞬時電壓環(huán)設(shè)計由于電流環(huán)的截止頻率高于瞬時電壓環(huán)，對電流指令的跟蹤速度要遠快于瞬時 電壓環(huán)對波形的跟蹤，在設(shè)計瞬時電壓環(huán)時可認為內(nèi)環(huán)是一個常數(shù)增益環(huán)節(jié)。圖5(a)是瞬時電壓環(huán)框圖。對負載電流進行補償后，相應(yīng)的控制算法由式(6)給出。icom(k)=KVvref(k) vc(k)+ id(k) (6)式中：vref是正弦參考電壓；icom是電壓環(huán)算出的電流環(huán)指令。圖5(b)是補償負載電流后且忽略電流環(huán)動態(tài)過程的簡化電壓環(huán)。同樣用無差拍 原理確定電壓環(huán)控制器KV用零階保持器法得到離散的控制對象的傳遞函數(shù)為其閉環(huán)特征方程是z 1-(KvT/C)=O(8)將閉環(huán)特征根全部配置在原點，得到KV

8、=C/T (9)圖6是逆變器對數(shù)頻率特性曲線，虛線為開環(huán)頻率特性，實線為經(jīng)過解耦和補 償后雙環(huán)無差拍系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性。很明顯，逆變器開環(huán)諧振峰被削掉了， 原來的欠阻尼性質(zhì)得到了極大的改善，對于穩(wěn)定性也有利。閉環(huán)帶寬增加到 2kHz，動態(tài)響應(yīng)速度大大加快。瞬時電壓環(huán)對負載電流進行的補償在一定程度上抑制了由負載引起的波形畸 變。但這種補償只有在電流環(huán)的傳遞函數(shù)為 1時才能進行完全，否則，給出的 補償信號總存在相位誤差。在設(shè)計瞬時電壓環(huán)時只能近似認為電流環(huán)傳遞函數(shù) 為1,所以，雙環(huán)系統(tǒng)雖然能達到很快的動態(tài)響應(yīng)速度，但對抑制整流性負載 造成的波形畸變效果有限。為了得到更好的穩(wěn)態(tài)波形，勢必采用一種能完

9、全補 償擾動的方案，重復控制就是一種成熟有效的手段。本控制方案在電流電壓雙 環(huán)的基礎(chǔ)上加入一個重復控制環(huán)構(gòu)成復合控制系統(tǒng)。它位于雙環(huán)的外層，對穩(wěn) 態(tài)波形質(zhì)量進行控制。2. 2重復控制器設(shè)計如圖7所示，PB(z)是設(shè)計好的雙環(huán)系統(tǒng)，負載及其他因素的影響由擾動量d等效。重復控制器的輸出疊加于原有的參考輸入之上，以產(chǎn)生矯正作用。重復控 制器由周期延遲正反饋環(huán)節(jié)和補償器 KrzkS(z)組成，N是數(shù)字控制器每周期的 采樣次數(shù)，Q(z)用以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常取為 0.95。周期延遲正反饋環(huán)節(jié)對 逆變器輸出誤差進行逐基波周期的累加。補償器的作用是與逆變器對象實現(xiàn) 中、低頻對消和高頻衰減，這樣重復內(nèi)模(即

10、周期延遲正反饋環(huán)節(jié))給出的補 償信號才能幅值和相位均正確地與擾動對消，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)波形的無差。PB(z)是加雙環(huán)之后的等效逆變器對象，從圖 6可以看出其諧振峰已經(jīng)被抵消，因此，補 償器的設(shè)計大大簡化，只須完成高頻衰減和相位補償?shù)墓δ堋r是重復控制器增益，S(z)取為一個截止頻率與PB(z)近似的二階濾波器以實現(xiàn)高頻衰減，超 前環(huán)節(jié)Zk實現(xiàn)S(z)PB(z)的相位補償。由于超前環(huán)節(jié)的存在，所以引入周期延 遲環(huán)節(jié)z N,否則，重復控制器無法物理實現(xiàn)。因為z N的引入，重復控制器對擾動的矯正要延遲一個基波周期，但是位于內(nèi) 層的雙環(huán)無差拍控制器則對擾動有著極快的抑制作用。相反地，雙環(huán)無差拍控 制器對擾動

11、的補償是有限的，而重復控制的引入可將擾動近乎完全補償，穩(wěn)態(tài) 效果極佳。此外，如圖6所示，雙環(huán)控制使逆變器對象的截止頻率加大到 2kHz,重復控制器的補償范圍也得以擴大。3系統(tǒng)設(shè)計與實驗本控制方案在一臺基于DSPTMS320F24控制系統(tǒng)的IGBT單相半橋逆變器實驗裝 置上得到了驗證。實驗裝置參數(shù)為：濾波電感 1.14mH濾波電容20卩F;輸入 直流電壓250V;輸出交流電壓幅值100乂開關(guān)和采樣頻率均為10kHz，根據(jù)上述分析，計算出KV=0.2, KC=11.1。加雙環(huán)后的等效逆變器控制對象是PB(z)= (10)據(jù)此選擇二階濾波器S(z)= (11)超前環(huán)節(jié)是z4,取Kr=1, N=200圖8是雙環(huán)系統(tǒng)帶非線性負載時的波形，THD達4.84 %，可見瞬時電壓環(huán)對電 流擾動的補償效果有限。圖9是復合控制系統(tǒng)負載突加過程，在突加阻性負載 時，經(jīng)0.5ms波形便恢復正常，在最惡劣的情況