UPS逆變控制系統(tǒng)設(shè)計1

1、UPS逆變控制系統(tǒng)設(shè)計(1)肖永利（2001-8-7）摘 要：本文主要討論了UPS逆變控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟。首先建立了逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)逆變自身動態(tài)特性，確立了引入電容電流反饋和電壓反饋的控制結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)參數(shù)對控制特性的影響。結(jié)合C6KNN機(jī)種的逆變控制系統(tǒng)設(shè)計過程，對設(shè)計中遇到的各種實際問題的產(chǎn)生原因和相應(yīng)的控制參數(shù)調(diào)整思路做了分析和解釋，其中包括系統(tǒng)延遲、瞬投RCD載電壓上沖、限流以及卸載電壓上沖等問題。本文最后對現(xiàn)有的遺留問題做了總結(jié)并確定了問題的解決方向。1 數(shù)學(xué)模型圖1 單項半橋UPS逆變系統(tǒng)圖1為單項半橋UPS逆變電路原理圖，為了研究方便，這里設(shè)負(fù)載為阻性

2、R，取電容電壓和電流為狀態(tài)變量，則由圖1可列寫出逆變系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： （1）其中 （2）表示逆變開關(guān)管輪流導(dǎo)通的開關(guān)函數(shù)，為BUS電壓幅值。對逆變系統(tǒng)而言，當(dāng)開關(guān)管的動作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其PWM調(diào)制信號的頻率時，則開關(guān)函數(shù)就可近似用如下的占空比來表示1。 （3）式中為載波的幅值。 由式（2）和（3）可得： （4）式中：即為PWM放大系數(shù)。由式（1）和（4）可得調(diào)值信號到電容電壓的傳遞函數(shù)為： （5）上述逆變模型是在阻性負(fù)載情況下得到的，模型參數(shù)與負(fù)載R大小有關(guān)，因此逆變模型的參數(shù)具有不確定性。當(dāng)R為無窮大，即為空載情況下時，逆變模型為： （6）另外，實際UPS系統(tǒng)還可能攜帶除阻性外的容性或感性以

3、及RCD非線性負(fù)載等，所以實際UPS系統(tǒng)的逆變模型還具有結(jié)構(gòu)不確定性。2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計觀察式（6）和（5）可知，被控對象為一個二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的自然頻率為： （7）阻尼比為： （8）由式（7）和（8）知，逆變系統(tǒng)中的電感和電容的大小決定了系統(tǒng)的自然頻率，當(dāng)L 和C確定后，負(fù)載R則對系統(tǒng)的阻尼起決定性作用，R越小，系統(tǒng)阻尼越大。由于在無載情況下，逆變?yōu)橐粋€無阻尼的振蕩系統(tǒng)，加載后，即使在滿載情況下系統(tǒng)也是個欠阻尼系統(tǒng)（帶入實際參數(shù)可進(jìn)行判斷），所以要達(dá)到好的控制特性，就必須給系統(tǒng)增加阻尼。一般情況下，增加阻尼可采取兩種方案：一種是在反饋控制量中加入微分控制量，另一種就是引入輸出控制量的速度量。

4、由于微分控制對系統(tǒng)噪聲有放大作用，一般情況下較少采用，實際控制設(shè)計中較多地是采用增加回路的方式給系統(tǒng)增加阻尼。在逆變控制系統(tǒng)中，控制輸出量為電容電壓，增加阻尼可通過引入電容電流反饋來實現(xiàn)。根據(jù)上述分析，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可設(shè)計成圖2的形式。圖2 逆變控制系統(tǒng)框圖由圖2可推出內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為： （9）由式（9）的特征方程可知，系統(tǒng)阻尼比為： （10）比較式（8）和（10）可見，引入電容電流反饋，增加了系統(tǒng)的阻尼比，因而可以有效改善系統(tǒng)的特性。由圖2可得整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （11）3 系統(tǒng)參數(shù)對控制性能的影響（1）動態(tài)特性由式（11）知，圖2結(jié)構(gòu)形式的逆變控制系統(tǒng)是一個典型的二階系統(tǒng)，其動態(tài)

5、特性與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系可參考一般的自動控制原理書籍，這里僅簡單說明如下：a: 開環(huán)情況下，濾波電感和電容大小的乘積LC決定了系統(tǒng)的自然頻率，提高自然頻率，可使系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快。b: 當(dāng)LC確定后，增益可用來調(diào)整系統(tǒng)的阻尼比，以獲得期望的動態(tài)特性。另外，LC一定的情況下，L越大，系統(tǒng)的阻尼比越小。c: 增益可以改變閉環(huán)系統(tǒng)的自然頻率，因此它的大小也影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。（2）穩(wěn)態(tài)特性對于單位階躍響應(yīng)而言，上述逆變控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為： （12）可見系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差直接由增益和決定。和越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小。在理想情況下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出電壓幅值與負(fù)載大小無關(guān)。（3）抗負(fù)載干擾特性 對UPS逆變控制系統(tǒng)而言，我

6、們期望的是輸出電壓對負(fù)載變化的魯棒性越強(qiáng)越好，反映在控制系統(tǒng)設(shè)計中就是期望系統(tǒng)輸出抗負(fù)載電流干擾的能力越強(qiáng)越好。負(fù)載電流對逆變系統(tǒng)的干擾可用圖3來表示。圖3 由圖3可寫出負(fù)載電流與電容電壓輸出的關(guān)系為： （13）用替換s，顯然，當(dāng)特征方程滿足如下條件時，系統(tǒng)的抗干擾能力最強(qiáng) （14）即： （15）負(fù)載電流突變時，其含有的高頻成分較多，所以式（15）中起決定作用的是如下部分： （16）由式（16）可知，控制增益越大，則系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)。另外，濾波電容和電感也對抗干擾特性有影響，若LC一定，電容越大，電感越小，則輸出抗干擾能力越強(qiáng)。增益對抗負(fù)載電流干擾特性影響較小。4 C6KNN逆變控制系統(tǒng)設(shè)

7、計實例C6KNN逆變采用DSP數(shù)字控制技術(shù)，增強(qiáng)了控制器設(shè)計的靈活性。C6KNN初期的控制結(jié)構(gòu)（參見C6K-DSP inverter調(diào)試報告，黃雁飛）與本文中的圖2基本一致，但存在以下一些問題：(1) 引入電容電流反饋的同時，又加入D控制和電壓微分控制。由于三個控制量的作用基本一致，所以D控制和電壓微分控制多余。(2) 電容電流和電壓的反饋參數(shù)無謂地加入控制設(shè)計中，增加了控制參數(shù)設(shè)計數(shù)量，使設(shè)計難于調(diào)整。應(yīng)用DSP數(shù)字技術(shù)，完全可以事先使反饋回路的增益為1，從而形成單位反饋，這樣就可直接通過調(diào)整前饋參數(shù)來調(diào)整控制系統(tǒng)性能。(3) 引入的負(fù)載電流反饋物理意義不清楚。(4) 參數(shù)設(shè)計較為盲目。應(yīng)根

8、據(jù)實際系統(tǒng)的控制需要來設(shè)計參數(shù)。C6KNN初期各部分參數(shù)值為：BUS電壓幅值；載波幅值；濾波電感；電感上的電阻；濾波電容（其中電容的電流用于反饋，另電容電流不反饋）；電容上的電阻。考慮DSP計算延遲25us。實際控制參數(shù)設(shè)計主要經(jīng)歷了以下幾次反復(fù)。第一次： 設(shè)計參數(shù)為：；設(shè)計思想：盡可能減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高響應(yīng)速度，增強(qiáng)抗干擾特性。實驗結(jié)果：系統(tǒng)無法開機(jī)。原因分析：經(jīng)考慮，系統(tǒng)無法開機(jī)是由于系統(tǒng)發(fā)散造成的。這是因為在設(shè)計時，DSP的計算延遲估計太小，從而使控制參數(shù)在一定程度上可以取的比較大，但若考慮實際DSP計算延遲為52us，則系統(tǒng)就變的不穩(wěn)定了（延遲對控制系統(tǒng)的影響可參見一般控制原理書）。在

9、下面的設(shè)計中，將DSP計算延遲考慮為52us第二次：設(shè)計參數(shù)為：；設(shè)計思想：在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡量增大，這樣可使系統(tǒng)開環(huán)增益較大，從而使系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差小。實驗結(jié)果：系統(tǒng)正常開機(jī)。加阻性負(fù)載問題不大，但加RCD載仍舊出現(xiàn)瞬投電壓上沖的問題。RCD載卸載時電壓上沖較小。原因分析：瞬投RCD載電壓會上沖是因為電流會出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，也就是說在瞬間加入RCD載后，濾波電容會迅速對負(fù)載放電，這時候電容電壓被拉的很低，反饋控制為了使電容電壓盡快恢復(fù)，就盡可能增加控制量，然而，由于電容電壓上升速度較慢，此時的控制量將使得電感電流很大，而電感電流又都全部流向負(fù)載，這時，RCD載突

10、然卸掉，就會造成已被反饋控制量調(diào)得很大的電感電流全部灌入電容，從而使電容電壓迅速上沖，且此時控制作用也無能為力。為了解決這一問題，只有降低控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也就是說在電容電壓較低時，響應(yīng)速度較慢的控制系統(tǒng)其控制量也較小，這樣就可以不使電感電流增加的很大，從而使得電感電流灌入電容的瞬間反饋控制能夠有效抑制其電壓上沖。第三次：設(shè)計參數(shù)為：；設(shè)計思想：基于上次實驗問題的分析結(jié)果，又重新調(diào)整了控制參數(shù)，目的是減小控制增益，降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。實驗結(jié)果：加阻性負(fù)載較好；多次反復(fù)瞬投RCD載也不再出現(xiàn)電壓上沖的問題，但是加RCD載接近滿載時出現(xiàn)限流問題；RCD載卸載時電壓上沖較前面略大。原因分析：系統(tǒng)響應(yīng)

11、速度較快、控制量大，就會使得負(fù)載電流過大，從而造成投RCD載滿載時出現(xiàn)限流問題。解決思路是應(yīng)減小控制增益。由于控制增益減小，使得系統(tǒng)抗負(fù)載電流干擾能力減弱，所以卸載時電壓上沖幅度會變大。第四次：設(shè)計參數(shù)為：；設(shè)計思想：為了在減小控制增益的同時不較大影響系統(tǒng)的抗負(fù)載電流干擾影響，所以保持增益不變，只減小增益。實驗結(jié)果：多次反復(fù)瞬投RCD載不出現(xiàn)電壓上沖的問題，加RCD載滿載時也不出現(xiàn)限流問題。第五次：由于原先的硬件電路是只將電容的電流用于反饋，而另外電容的電流沒有用于反饋控制，考慮到這樣做的意義和目的不十分清楚。所以將另電容的電流也用于反饋控制，再次重新設(shè)計，設(shè)計參數(shù)為：；實驗結(jié)果：多次反復(fù)瞬投

12、RCD載不出現(xiàn)電壓上沖的問題，加RCD載滿載時也不出現(xiàn)限流問題。5 遺留問題目前的控制系統(tǒng)雖對瞬投RCD載電壓上沖、卸載電壓上沖以及限流等問題有較好的抑制作用，并且具有設(shè)計簡單，實現(xiàn)容易等優(yōu)點，但其仍存在如下問題和弊端：（1） 加入濾波板后投RCD載達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，負(fù)載電流會出現(xiàn)紋波，且主要體現(xiàn)在負(fù)半周。（2） 由于受控制結(jié)構(gòu)限制，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差太大。（3） 系統(tǒng)抗負(fù)載干擾能力不強(qiáng)。6 遺留問題初步分析和解決思路（1） 投RCD載達(dá)穩(wěn)態(tài)后負(fù)載電流出現(xiàn)紋波的原因，是由于上述逆變控制主要是針對阻性負(fù)載進(jìn)行設(shè)計的，當(dāng)逆變帶RCD載后，由于負(fù)載結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，所以系統(tǒng)在阻

13、性負(fù)載（或空載）情況下的控制性能將不能保證在RCD載下也具有同樣的控制性能。另外，紋波是在輸出加入濾波板情況下出現(xiàn)的，濾波板和導(dǎo)線上均有電感，仿真結(jié)果表明，電感大小在一定范圍內(nèi)時，就會造成負(fù)載電流出現(xiàn)紋波。經(jīng)分析和仿真，當(dāng)逆變接入RCD載并考慮上述雜散電感時，控制系統(tǒng)的特性將變得很糟糕，甚至發(fā)散，這也就是負(fù)載電流出現(xiàn)紋波的主要原因。該問題的解決思路是，若現(xiàn)有控制結(jié)構(gòu)僅通過調(diào)整參數(shù)無法克服上述負(fù)載電流紋波問題，將考慮重新選擇控制結(jié)構(gòu)和設(shè)計魯棒性更強(qiáng)的控制器。（2） 穩(wěn)態(tài)誤差問題目前已初步找到解決辦法。7 結(jié)論采用比例控制的電壓環(huán)和電流環(huán)雙回路反饋控制結(jié)構(gòu)是UPS逆變控制系統(tǒng)一種簡單實用的設(shè)計方案。該方案的最大優(yōu)點是設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，各回路物理意義清晰，設(shè)計參數(shù)少且方便，實現(xiàn)容易等。不足之處是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較大，魯棒性不強(qiáng)。針對這一結(jié)構(gòu)，本文以阻性負(fù)載為主要研究對象，分析了逆變控制設(shè)計的各個步驟和機(jī)理，并結(jié)合實驗，給出了控制參數(shù)的設(shè)計調(diào)整思路。由于前期工作的主要重點放在了克服瞬投RCD載電壓上沖及限流等問題，故在設(shè)計中忽視了一些其它應(yīng)該考慮的問題，造成目前系統(tǒng)還沒有達(dá)到完善的地步，所以下一步工作是全面對整個系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行解決。參考文獻(xiàn)：