逆變電源數(shù)字化控制研究

黃應(yīng)春

摘 要：現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)也對(duì)逆變電源的性能有了更加嚴(yán)格的要求，一種性能較優(yōu)的逆變電源的電壓輸出波形應(yīng)具有三個(gè)方面的良好性能：輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好且對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)。采用數(shù)字控制的逆變電源能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)、智能的控制算法來(lái)提升電源的性能，所以逆變電源的數(shù)字化控制是現(xiàn)在逆變電源主要的發(fā)展方向。文章主要對(duì)逆變電源的數(shù)字化控制進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。首先說(shuō)明了各種數(shù)字控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，了解到融合各種控制方法的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建的復(fù)合控制器是逆變電源數(shù)字化控制發(fā)展的方向。下一步本文對(duì)逆變電源進(jìn)行了探究，從分析逆變電源輸出的特性的開(kāi)始，然后逐步深入到對(duì)重復(fù)控制器和模糊控制器的控制原理和設(shè)計(jì)方法的研究，并采用將重復(fù)控制和模糊自整定PI控制相融合的方式提出了復(fù)合控制方案，此方案包含的重復(fù)控制能夠?qū)崿F(xiàn)提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，并且自整定PI控制能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。文章的最后采用TMS32OF2812DSP為系統(tǒng)的控制核心對(duì)逆變電源控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：逆變電源； 數(shù)字化； 重復(fù)控制；模糊控制

以往的逆變電源只是要求其能夠?qū)崿F(xiàn)輸出的穩(wěn)定不斷電、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓及穩(wěn)頻功能，但現(xiàn)在的逆變電源還要求實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，此外，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速進(jìn)步，現(xiàn)在對(duì)逆變電源的網(wǎng)絡(luò)功能也又了更為苛刻的要求。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能的逆變電源是現(xiàn)在電源技術(shù)的發(fā)展方向，現(xiàn)在對(duì)逆變電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)：輸入的功率因數(shù)較高，系統(tǒng)的輸入阻抗低，響應(yīng)迅速，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，且具有較高的穩(wěn)定性和較高的可靠性，逆變電源還需能夠抵抗電磁干擾，具有較高的智能化，有一定的網(wǎng)絡(luò)功能和能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化控制。

傳統(tǒng)的逆變電源的控制方式通常采用模擬控制或者將模擬控制與數(shù)字控制相融合，傳統(tǒng)逆變電源的控制結(jié)構(gòu)相對(duì)較成熟，同時(shí)也具有較多相關(guān)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，但是傳統(tǒng)的逆變電源也存在很多不易克服的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的逆變電源使用的原件多且復(fù)雜直接造成系統(tǒng)的成本高、系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、調(diào)試維護(hù)較困難等缺點(diǎn)。并且傳統(tǒng)的逆變電源很難將先進(jìn)且復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)。本文的主要工作是基于DSP的逆變電源的數(shù)字化技術(shù)的設(shè)計(jì)和研究，一共由四個(gè)部分組成：第一部分主要敘述了逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀和其發(fā)展的方向，介紹了傳統(tǒng)逆變電源的優(yōu)缺點(diǎn)及逆變電源的數(shù)字化控制的優(yōu)點(diǎn)。為下文的設(shè)計(jì)研究做鋪墊；第二部分對(duì)逆變電源的主要構(gòu)成進(jìn)行了說(shuō)明和介紹，并構(gòu)建出了單相逆變器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真模型的構(gòu)建；第三部分首先對(duì)重復(fù)控制理論進(jìn)行了分析，并建立在對(duì)重復(fù)控制技術(shù)理論的研究之上采用控制器實(shí)現(xiàn)單相50Hz逆變器的波形的產(chǎn)生和控制，并對(duì)重復(fù)控制器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的分析研究和設(shè)計(jì)。本部分對(duì)模糊控制的基本原理和基本的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，并且本部分提出將模糊自整定PI控制和重復(fù)控制相融合的復(fù)合控制方案，能夠使兩種控制器優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮，并能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，融合控制方案對(duì)逆變電源系統(tǒng)的性能有了大幅度提升，通過(guò)仿真結(jié)果證明，復(fù)合控制能夠使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；第四部分對(duì)是基于TMS32OF2812DSP控制芯片對(duì)的逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)，并對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行了分析和調(diào)試工作。

1 逆變器數(shù)學(xué)模型研究

全橋電路和半橋電路是逆變器中主電路最為常用的兩種電路，半橋電路使用的功率開(kāi)關(guān)管較少，搭建的成本低，且半橋電路的驅(qū)動(dòng)較簡(jiǎn)單，半橋電壓的輸出頻率和開(kāi)關(guān)頻率一致，能夠在小容量的場(chǎng)合使用。全橋電路中能夠由零電壓開(kāi)始續(xù)流所以能夠獲得較好的諧波控制。在全橋電路分擔(dān)的電壓和半橋電壓相同時(shí)，功率相同時(shí)，全橋電路中的電流是半橋電路中電路的一半。因全橋電路中所用的功率管較多，所以能夠更容易的實(shí)現(xiàn)多種組合，所以全橋電路在需要高功率輸出的場(chǎng)所得到了廣泛的應(yīng)用。本文中設(shè)計(jì)的逆變器采用全橋拓?fù)淙缦聢D所示，在經(jīng)過(guò)LC低通濾波去除高頻成分后，在濾波電容兩端獲取光滑的正弦波。

圖1 單相全橋逆變電路

如圖1所示，L1是輸出濾波器中的濾波電感，R1是濾波器中等效的串聯(lián)電阻，C1為濾波器中的濾波電容，Rc為濾波器的等效串聯(lián)電阻，E為輸入電壓，Ui輸出濾波電路中的輸入電壓，Uo輸出濾波電路輸出電壓。

假設(shè)負(fù)載為電阻R時(shí)，濾波器的輸出電壓Uo （s）和濾波器的輸入電壓Ui（s）之間的傳遞函數(shù)Y（s）為：

通常電路中Rc為毫歐級(jí)，而R1的數(shù)量級(jí)則為歐姆，所以在計(jì)算時(shí)Rc可以忽略不計(jì)，所以濾波器的傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為：

2電力工程施工管理的特點(diǎn)分析

重復(fù)控制的是一種建立在周期之上的方法，其原理為內(nèi)模原理，在相關(guān)理論中，系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)并不是單純的正弦信號(hào)，所以需要對(duì)每個(gè)干擾信號(hào)都進(jìn)行設(shè)置內(nèi)模，但在干擾較多的情況下設(shè)置重內(nèi)模較難實(shí)現(xiàn)。

2.1重復(fù)控制思想

重復(fù)控制理論中所謂的內(nèi)模0指的是在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中包含的外部輸入信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，內(nèi)模的工作原理可為：在特定控制系統(tǒng)中，控制器的反饋信號(hào)為被調(diào)節(jié)的信號(hào)，在系統(tǒng)的反饋回路中含有相同的動(dòng)態(tài)信號(hào)的模型，則可以說(shuō)控制系統(tǒng)為穩(wěn)定的，即系統(tǒng)的輸出系統(tǒng)能夠無(wú)靜差的追蹤外部的輸入信號(hào)。

當(dāng)控制系統(tǒng)內(nèi)模中的數(shù)學(xué)模型傳遞的為周期性的信號(hào)時(shí)，則構(gòu)建的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的追蹤周期信號(hào)。如果控制系統(tǒng)給出的信號(hào)或者擾動(dòng)是單一頻率的正弦信號(hào)時(shí)，則只需要在構(gòu)建的控制器中輸入與此信號(hào)同頻率的正弦信號(hào)模型即可。即：

2.2系統(tǒng)參數(shù)分析設(shè)計(jì)

在重復(fù)控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從逆變器的模型的相關(guān)特性著手，首先要滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后要考慮系統(tǒng)的抑制雜波的能力和系統(tǒng)的收斂速度。在對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)中單相逆變器的數(shù)學(xué)模型常用一個(gè)二階函數(shù)p（z）表示，由于高頻段的具有復(fù)雜特性，所以只能相對(duì)準(zhǔn)確的反應(yīng)系統(tǒng)的低頻段的特性。所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)首先尋找合適的s（z）抵消低頻段的p（z），由于高頻段不能精確估計(jì)，所以放棄高頻段的抵消，而采用S（z）驟然衰減來(lái)失效消除p（z）的諧振尖峰。

3 模糊重復(fù)控制技術(shù)復(fù)合控制技術(shù)研究

3.1 模糊控制理論

模糊控制理論是將模糊數(shù)學(xué)中的相關(guān)理論在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，模糊控制作為一種新的控制方法，其和傳統(tǒng)的控制方法有較大的差異。模糊控制主要反映了不斷的將觀察到的輸出轉(zhuǎn)化為模糊量，并通過(guò)輸出模糊量的特征加以控制，實(shí)現(xiàn)輸出量的逐步精確化，從線性和非線性控制來(lái)看，模糊控制屬于非線性控制方法；從只能與非智能控制上看，非線性控制屬于智能控制方法，同時(shí)模糊控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易整定等優(yōu)點(diǎn)。

3.2自整定PI控制

模糊控制中PID控制算法具有計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性能好和實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。PID控制算法在當(dāng)今的控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在進(jìn)行控制時(shí)，只需要修改Kp、Ki、Kd控制參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)控制作用。但PID控制算法也有參數(shù)修改較繁瑣和不能參數(shù)自整定的缺陷。在很所系統(tǒng)中存在非線性等不確定性因素干擾時(shí)，PID控制控制很難實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

3.3 復(fù)合控制技術(shù)研究

在控制系統(tǒng)中，微分主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有一定的好處，但是微分的左右會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能產(chǎn)生一定的影響，若是系統(tǒng)的微分參數(shù)大可能造成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能差的缺陷，并且在PID控制算法中，微分的參數(shù)是采用差分來(lái)近似代替的，對(duì)系統(tǒng)輸出之外的噪聲較敏感，出現(xiàn)干擾時(shí)容易引起較大的誤差，所以本控制方案忽略微分，即采用PI控制。

重復(fù)控制理論是將一個(gè)周期的輸出基波進(jìn)行存儲(chǔ)，在下一個(gè)基波周期時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，但在重?fù)控制中由于延遲環(huán)節(jié)的影響，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)會(huì)受到一定的影響。另外若在輸出基波的第一個(gè)周期中出現(xiàn)較大擾動(dòng)，控制系統(tǒng)并沒(méi)有任何的調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致重復(fù)控制的動(dòng)態(tài)性能較差。所以為了解決上述問(wèn)題，可以考慮采用反饋控制的方式改善動(dòng)態(tài)性能。

基于以上分析，本文提出了將模糊控制與PID控制相融合的控制方案，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。在控制系統(tǒng)將模糊控制的自整定PI控制并聯(lián)在控制系統(tǒng)中，重復(fù)控制和PI控制相互補(bǔ)充，全面改善控制系統(tǒng)性能。

4系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1電源整體結(jié)構(gòu)

在對(duì)單相正弦波逆變電源數(shù)學(xué)模型和其控制系統(tǒng)研究分析之后，本文設(shè)計(jì)你點(diǎn)電源的數(shù)字化控制的整體結(jié)構(gòu)框圖。

4.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的主要作用為放大系統(tǒng)的輸出信號(hào)并能夠驅(qū)動(dòng)晶體管，對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)要注意MOSFET在放大區(qū)和飽和區(qū)之間時(shí)時(shí)間的影響；注意高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用；要考慮驅(qū)動(dòng)的抗干擾能力等。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)采用的是IR公司的IR2130作為驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)芯片具有較大的正向峰值驅(qū)動(dòng)電流，其內(nèi)部設(shè)置有欠壓保護(hù)裝置且具有快速保護(hù)功率電路的作用，同時(shí)信號(hào)的輸出可以引入到DSP作軟件保護(hù)。本文在對(duì)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)時(shí)使用的為霍爾電壓電流傳感器。主要原因是其具有較好的電氣隔離性，有較高的測(cè)量精度和較好的線性特性，并且能夠有效抵抗 外界干擾。逆變電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)中還設(shè)置有欠壓保護(hù)電路，本設(shè)計(jì)中設(shè)置有硬件和軟件兩套保護(hù)裝置，主要作用是能夠高效率的檢測(cè)硬件產(chǎn)生的故障，能夠通過(guò)硬件電路和軟件有效的保護(hù)。

4.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制算法的軟件化對(duì)數(shù)字化逆變電源系統(tǒng)的控制提供了方便，程序的模塊化設(shè)計(jì)有效的提高了控制的效率，本設(shè)計(jì)合理分配了各程序塊，根據(jù)程序的功能程序主要分為了程序的初始化、系統(tǒng)的主程序金和系統(tǒng)定時(shí)器中斷服務(wù)程序三個(gè)模塊。數(shù)字化逆變電源的控制思想是基于系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序之上的，主要利用TMS320F2812的兩個(gè)定時(shí)器，中斷程序中包含了逆變電壓、電感產(chǎn)生電流的檢測(cè)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，從而實(shí)現(xiàn)合理控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以提高逆變電源輸出波形質(zhì)量為目的，通過(guò)對(duì)當(dāng)前逆變電源的多種波形控制策略的比較，可以清楚的了解每種控制方法的優(yōu)點(diǎn)和不足。本文采用融合重復(fù)控制和模糊自整定PI控制的控制方法，做到兩種控制方案相互滲透，取長(zhǎng)補(bǔ)短。又因?yàn)閺?fù)合控制方案是控制算法的發(fā)展方向，所以本文在研究模糊控制和重復(fù)控制的基礎(chǔ)上，提出融合重復(fù)控制方法和模糊自整定PI控制方法的復(fù)合控制方案。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電源最佳的數(shù)字化控制。

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