黃應春

摘 要：現代科技的快速發(fā)展，各個行業(yè)也對逆變電源的性能有了更加嚴格的要求，一種性能較優(yōu)的逆變電源的電壓輸出波形應具有三個方面的良好性能：輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好且對負載適應能力強。采用數字控制的逆變電源能夠實現先進、智能的控制算法來提升電源的性能，所以逆變電源的數字化控制是現在逆變電源主要的發(fā)展方向。文章主要對逆變電源的數字化控制進行了研究和設計。首先說明了各種數字控制方法的優(yōu)缺點，了解到融合各種控制方法的優(yōu)點構建的復合控制器是逆變電源數字化控制發(fā)展的方向。下一步本文對逆變電源進行了探究，從分析逆變電源輸出的特性的開始，然后逐步深入到對重復控制器和模糊控制器的控制原理和設計方法的研究，并采用將重復控制和模糊自整定PI控制相融合的方式提出了復合控制方案，此方案包含的重復控制能夠實現提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，并且自整定PI控制能使系統(tǒng)的動態(tài)響應得到改善。文章的最后采用TMS32OF2812DSP為系統(tǒng)的控制核心對逆變電源控制系統(tǒng)進行了軟硬件的設計。

關鍵詞：逆變電源； 數字化； 重復控制；模糊控制

以往的逆變電源只是要求其能夠實現輸出的穩(wěn)定不斷電、實現穩(wěn)壓及穩(wěn)頻功能，但現在的逆變電源還要求實現對環(huán)境無污染，此外，伴隨著網絡技術的飛速進步，現在對逆變電源的網絡功能也又了更為苛刻的要求。設計并實現高性能的逆變電源是現在電源技術的發(fā)展方向，現在對逆變電源設計時應能夠實現：輸入的功率因數較高，系統(tǒng)的輸入阻抗低，響應迅速，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，有一定的網絡功能和能夠實現數字化控制。

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字控制相融合，傳統(tǒng)逆變電源的控制結構相對較成熟，同時也具有較多相關設計的經驗，但是傳統(tǒng)的逆變電源也存在很多不易克服的缺點，傳統(tǒng)的逆變電源使用的原件多且復雜直接造成系統(tǒng)的成本高、系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、調試維護較困難等缺點。并且傳統(tǒng)的逆變電源很難將先進且復雜的算法實現。本文的主要工作是基于DSP的逆變電源的數字化技術的設計和研究，一共由四個部分組成：第一部分主要敘述了逆變電源的發(fā)展現狀和其發(fā)展的方向，介紹了傳統(tǒng)逆變電源的優(yōu)缺點及逆變電源的數字化控制的優(yōu)點。為下文的設計研究做鋪墊；第二部分對逆變電源的主要構成進行了說明和介紹，并構建出了單相逆變器的數學模型，并進行了仿真模型的構建；第三部分首先對重復控制理論進行了分析，并建立在對重復控制技術理論的研究之上采用控制器實現單相50Hz逆變器的波形的產生和控制，并對重復控制器的相關參數進行了相關的分析研究和設計。本部分對模糊控制的基本原理和基本的設計方案進行了介紹，并且本部分提出將模糊自整定PI控制和重復控制相融合的復合控制方案，能夠使兩種控制器優(yōu)勢得到發(fā)揮，并能夠取長補短，融合控制方案對逆變電源系統(tǒng)的性能有了大幅度提升，通過仿真結果證明，復合控制能夠使系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；第四部分對是基于TMS32OF2812DSP控制芯片對的逆變電源系統(tǒng)進行了軟硬件的設計，并對相關電路進行了分析和調試工作。

1 逆變器數學模型研究

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關管較少，搭建的成本低，且半橋電路的驅動較簡單，半橋電壓的輸出頻率和開關頻率一致，能夠在小容量的場合使用。全橋電路中能夠由零電壓開始續(xù)流所以能夠獲得較好的諧波控制。在全橋電路分擔的電壓和半橋電壓相同時，功率相同時，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現多種組合，所以全橋電路在需要高功率輸出的場所得到了廣泛的應用。本文中設計的逆變器采用全橋拓撲如下圖所示，在經過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。

假設負載為電阻R時，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Y（s）為：

通常電路中Rc為毫歐級，而R1的數量級則為歐姆，所以在計算時Rc可以忽略不計，所以濾波器的傳遞函數可簡化為：

2電力工程施工管理的特點分析

重復控制的是一種建立在周期之上的方法，其原理為內模原理，在相關理論中，系統(tǒng)中存在的擾動并不是單純的正弦信號，所以需要對每個干擾信號都進行設置內模，但在干擾較多的情況下設置重內模較難實現。

2.1重復控制思想

重復控制理論中所謂的內模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的數學模型，內模的工作原理可為：在特定控制系統(tǒng)中，控制器的反饋信號為被調節(jié)的信號，在系統(tǒng)的反饋回路中含有相同的動態(tài)信號的模型，則可以說控制系統(tǒng)為穩(wěn)定的，即系統(tǒng)的輸出系統(tǒng)能夠無靜差的追蹤外部的輸入信號。

當控制系統(tǒng)內模中的數學模型傳遞的為周期性的信號時，則構建的控制系統(tǒng)可以實現無靜差的追蹤周期信號。如果控制系統(tǒng)給出的信號或者擾動是單一頻率的正弦信號時，則只需要在構建的控制器中輸入與此信號同頻率的正弦信號模型即可。即：

2.2系統(tǒng)參數分析設計

在重復控制器進行參數設計時應從逆變器的模型的相關特性著手，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。在對系統(tǒng)設計時，系統(tǒng)中單相逆變器的數學模型常用一個二階函數p（z）表示，由于高頻段的具有復雜特性，所以只能相對準確的反應系統(tǒng)的低頻段的特性。所以設計系統(tǒng)時首先尋找合適的s（z）抵消低頻段的p（z），由于高頻段不能精確估計，所以放棄高頻段的抵消，而采用S（z）驟然衰減來失效消除p（z）的諧振尖峰。

3 模糊重復控制技術復合控制技術研究

3.1 模糊控制理論

模糊控制理論是將模糊數學中的相關理論在控制領域的應用，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化為模糊量，并通過輸出模糊量的特征加以控制，實現輸出量的逐步精確化，從線性和非線性控制來看，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，同時模糊控制具有結構簡單，參數易整定等優(yōu)點。

3.2自整定PI控制

模糊控制中PID控制算法具有計算量小、實時性能好和實現較簡單等優(yōu)點。PID控制算法在當今的控制領域得到了廣泛的應用，在進行控制時，只需要修改Kp、Ki、Kd控制參數就能實現控制作用。但PID控制算法也有參數修改較繁瑣和不能參數自整定的缺陷。在很所系統(tǒng)中存在非線性等不確定性因素干擾時，PID控制控制很難實現控制目標。

3.3 復合控制技術研究

在控制系統(tǒng)中，微分主要調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性，對系統(tǒng)的動態(tài)特性有一定的好處，但是微分的左右會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性能產生一定的影響，若是系統(tǒng)的微分參數大可能造成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能差的缺陷，并且在PID控制算法中，微分的參數是采用差分來近似代替的，對系統(tǒng)輸出之外的噪聲較敏感，出現干擾時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。

重復控制理論是將一個周期的輸出基波進行存儲，在下一個基波周期時進行適當的校正，但在重復控制中由于延遲環(huán)節(jié)的影響，控制系統(tǒng)的調節(jié)會受到一定的影響。另外若在輸出基波的第一個周期中出現較大擾動，控制系統(tǒng)并沒有任何的調節(jié)作用，導致重復控制的動態(tài)性能較差。所以為了解決上述問題，可以考慮采用反饋控制的方式改善動態(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，以實現系統(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，重復控制和PI控制相互補充，全面改善控制系統(tǒng)性能。

4系統(tǒng)軟硬件設計

4.1電源整體結構

在對單相正弦波逆變電源數學模型和其控制系統(tǒng)研究分析之后，本文設計你點電源的數字化控制的整體結構框圖。

4.2硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)驅動電路的主要作用為放大系統(tǒng)的輸出信號并能夠驅動晶體管，對系統(tǒng)驅動設計時要注意MOSFET在放大區(qū)和飽和區(qū)之間時時間的影響；注意高電壓場合的應用；要考慮驅動的抗干擾能力等。本系統(tǒng)驅動電路的設計采用的是IR公司的IR2130作為驅動芯片。驅動芯片具有較大的正向峰值驅動電流，其內部設置有欠壓保護裝置且具有快速保護功率電路的作用，同時信號的輸出可以引入到DSP作軟件保護。本文在對信號采集電路設計時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。逆變電源的數字化控制系統(tǒng)中還設置有欠壓保護電路，本設計中設置有硬件和軟件兩套保護裝置，主要作用是能夠高效率的檢測硬件產生的故障，能夠通過硬件電路和軟件有效的保護。

4.3軟件系統(tǒng)設計

控制算法的軟件化對數字化逆變電源系統(tǒng)的控制提供了方便，程序的模塊化設計有效的提高了控制的效率，本設計合理分配了各程序塊，根據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)定時器中斷服務程序三個模塊。數字化逆變電源的控制思想是基于系統(tǒng)的中斷服務程序之上的，主要利用TMS320F2812的兩個定時器，中斷程序中包含了逆變電壓、電感產生電流的檢測，并通過A/D轉換轉變?yōu)殡妷盒盘?，從而實現合理控制。

5 結語

本文以提高逆變電源輸出波形質量為目的，通過對當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)點和不足。本文采用融合重復控制和模糊自整定PI控制的控制方法，做到兩種控制方案相互滲透，取長補短。又因為復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控制的基礎上，提出融合重復控制方法和模糊自整定PI控制方法的復合控制方案。從而實現對逆變電源最佳的數字化控制。

參考文獻：

[1] 秦洋陽，楊小秋，吳保珍，等.海底熱流探測中的高分辨率測溫技術[J].中國科學：技術科學.2013（07）：816-821.

[2] 秦洋陽，林孫如.一種新型的場效應管的驅動方式[J].知識經濟.2009（04）：125.