基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器控制方案研究

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，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)。在實現輸出電壓解耦和擾動電流補償后，根據無差拍原理設計的雙環(huán)控制器使逆變器達到了很快的動態(tài)響應速度；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DSPTMS320F240控制系統(tǒng)的PWM逆變器上得到驗證。

關鍵詞：逆變器；雙環(huán)；無差拍；重復控制

0 引言

隨著閉環(huán)調節(jié)PWM逆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出來以后，才能出現相應的誤差信號激勵調節(jié)器，增設一個電流環(huán)限制啟動電流和構成電流隨動系統(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，另外使用狀態(tài)觀測器提高數字控制系統(tǒng)性能。

1 逆變器數學模型

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PWM電壓。

圖1 單相半橋逆變器

選擇電感電流i_L和電容電壓v_c作為狀態(tài)變量，i_d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

（1）

式中：x=；u=；y=；

A=；B=；C=[0 1]。

根據式(1)，很容易得到逆變器在頻域下的方框圖，如圖2所示。PWM逆變器的動態(tài)模型和直流電機相似，轉速伺服系統(tǒng)的設計方法在這里也適用。本文借鑒直流電機雙環(huán)控制技術，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。

圖2 逆變器框圖

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)。在瞬時波形控制場合，控制算法的執(zhí)行時間和A/D轉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i_L，輸出電壓v_c，負載電流i_d。電感電流檢測為電流環(huán)而設。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。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，而且造成超調增大，電流跟蹤的快速性受影響。

圖3 雙環(huán)系統(tǒng)控制框圖

模擬控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點離虛軸越遠則動態(tài)響應越快，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)響應速度，這就是所謂的無差拍技術。

由于本方案實現了輸出電壓解耦和負載電流補償，電流環(huán)和電壓環(huán)的結構大大簡化，控制器的設計可以簡單到僅僅采用P環(huán)節(jié)。這里采用無差拍原理確定電流環(huán)控制器K_C和瞬時電壓環(huán)控制器K_V。

2.1.1 電流環(huán)設計

圖4(a)所示為電流環(huán)框圖，為了實現輸出電壓交叉反饋解耦，控制算法由式（2）給出。

v_com(k)=K_C〔i_L^＊(k)－i_L(k)〕＋v_c(k)（2）

式中：i_L^＊是電感電流指令；

v_com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。

G_c(z)=Z=（3）

式中：T是采樣周期；

a=r/L。

（a）電流環(huán)框圖

（b）解耦后簡化的電流環(huán)

圖4電流環(huán)設計

閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程是

Z－=0（4）

根據無差拍原理，將其特征根全部配置在原點，于是有

（5）

2.1.2 瞬時電壓環(huán)設計

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，在設計瞬時電壓環(huán)時可認為內環(huán)是一個常數增益環(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，相應的控制算法由式（6）給出。

（a）瞬時電壓環(huán)框圖

（b）補償后簡化的電壓環(huán)

圖5 電壓環(huán)設計