郭金庫,　趙　彬,　李　巖，劉克平

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

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基于dsPIC30F4011的逆變電源復(fù)合控制

郭金庫,趙彬,李巖，劉克平*

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春130012)

將重復(fù)控制和雙閉環(huán)控制相結(jié)合應(yīng)用于單相逆變電源系統(tǒng)，建立了仿真模型，進(jìn)行仿真實驗。應(yīng)用數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011實現(xiàn)了該復(fù)合控制方法。

逆變電源； 重復(fù)控制； 復(fù)合控制

0　引　言

逆變電源的控制方法影響其輸出電能的品質(zhì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要結(jié)合優(yōu)良的控制方法才能輸出高質(zhì)量的電能，逆變電源的控制方法是近年來的研究熱點之一[1-2]。第三代逆變電源采用實時反饋控制技術(shù)，目前,比較常用的實時反饋控制技術(shù)主要有雙閉環(huán)控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制等[3]。實時反饋控制技術(shù)的應(yīng)用，使逆變電源的性能得到大幅度的提升。隨著用戶對逆變電源性能要求的提高，單一的控制方法難以同時滿足動態(tài)、靜態(tài)兩方面的要求，將控制方法結(jié)合在一起，優(yōu)勢互補，構(gòu)成復(fù)合控制器是一種趨勢所在。文中分析了雙閉環(huán)控制和重復(fù)控制方法的優(yōu)缺點，提出一種將兩種控制方法相結(jié)合的復(fù)合控制方法，通過Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果表明，與單一的控制方法相比，復(fù)合控制方法能夠改善逆變電源系統(tǒng)的動靜態(tài)品質(zhì)，具有快速的動態(tài)響應(yīng)和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。

1　重復(fù)控制方法及雙閉環(huán)控制方法

1.1重復(fù)控制方法研究

重復(fù)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 重復(fù)信號發(fā)生器 (b) 改進(jìn)型重復(fù)發(fā)生器

圖1重復(fù)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

圖1(a)為重復(fù)信號發(fā)生器，相當(dāng)于以給定信號周期為步長的積分環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)跟蹤給定信號，但對系統(tǒng)的魯棒性極為不利。這種結(jié)構(gòu)帶來了單位圓上的開環(huán)極點，開環(huán)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。這種情況在實際工程應(yīng)用中是不允許的，因此需要將這種結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，改進(jìn)后重復(fù)信號發(fā)生器見圖1(b)，在反饋回路加入輔助補償器Q(z)，加入Q(z)后單位圓上的開環(huán)極點發(fā)生偏移，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。由圖1(b)可得：

(1)

(2)

由式(2)可知，k時刻系統(tǒng)的輸出等于(k-N)時刻輸出的0.98倍與k時刻偏差的和。當(dāng)輸入量減小為輸出量的2%時，累加過程相當(dāng)于不再繼續(xù)。通過加入輔助補償器，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能得到了提高，但卻犧牲了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。實際中使用的均是改進(jìn)型重復(fù)信號發(fā)生器見圖1(b)。在此基礎(chǔ)上添加周期延時環(huán)節(jié)Z-N、補償器C(z)就構(gòu)成了一個完整的重復(fù)控制器。重復(fù)控制器相當(dāng)于在原有穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上嵌入重復(fù)控制器，這種控制結(jié)構(gòu)可稱為“嵌入式”結(jié)構(gòu)。嵌入式重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2嵌入式重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中：r——參考輸入;

y——系統(tǒng)輸出電壓;

d——擾動信號;

P(z)——控制對象;

Z-N——周期延時環(huán)節(jié)，串聯(lián)在前向通道，實現(xiàn)控制動作延遲，實現(xiàn)本周期的檢測信號直至下一個周期影響控制量。

對于重復(fù)控制器，當(dāng)系統(tǒng)存在偏差時，重復(fù)控制器產(chǎn)生的相應(yīng)的控制量至少要延遲一個周期[4]，所以采用重復(fù)控制方法，系統(tǒng)動態(tài)性能較差。

1.2雙閉環(huán)控制方法研究

雙閉環(huán)反饋分為電感電流雙閉環(huán)反饋和電容電流雙閉環(huán)反饋[5]，電感電流雙閉環(huán)反饋中電流反饋量為流經(jīng)電感的電流，電容電流反饋中電流的反饋量則為濾波電容電流，雙閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(a) 電感電流雙閉環(huán)反饋

(b) 電容電流雙閉環(huán)反饋

圖中：uref——參考輸入;

Kv——電壓調(diào)節(jié)增益;

Ki——電流調(diào)節(jié)增益;

Z——負(fù)載。

由圖3可以看出，參考輸入電壓與反饋電壓信號做差得到偏差信號，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器作用，作為電流環(huán)的輸入，同反饋的電流信號作比較后，經(jīng)過電流環(huán)調(diào)節(jié)器的作用輸出相應(yīng)的控制量。雙閉環(huán)反饋控制采用電壓作為外環(huán)反饋，電流為內(nèi)環(huán)反饋，具有快速的動態(tài)響應(yīng)，但穩(wěn)態(tài)精度不高[6]。

2　復(fù)合控制方法研究及參數(shù)選擇

通過對重復(fù)控制方法和雙閉環(huán)控制方法的研究可知,二者各有優(yōu)勢，同時又各有不足之處，考慮到動、靜態(tài)性能對系統(tǒng)的重要性，文中將重復(fù)控制器與雙閉環(huán)控制器相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制器。采用復(fù)合控制，當(dāng)存在偏差時，可以通過重復(fù)控制器逐周期的消除偏差，從而較好地跟蹤給定信號，同時通過雙閉環(huán)控制器加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。重復(fù)控制提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，雙閉環(huán)控制改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，二者發(fā)揮各自優(yōu)勢，有效提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。

復(fù)合控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4復(fù)合控制系統(tǒng)框圖

圖中：r——參考輸入；

M——重復(fù)控制器的內(nèi)模，M=Q(Z)Z-N+L，Q(Z)通常選取為略小于1的正常數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

用Kr來調(diào)整校正信號的幅值，超前環(huán)節(jié)Zk用來補償濾波器S(Z)和控制對象P(Z)的總相位滯后，N為一個基波周期的采樣次數(shù)，L=PdN/360，Q(Z)的相位滯后為Pd，文中取Q(Z)=0.95。補償器C(Z)影響重復(fù)控制器控制效果，其作用是對P(Z)進(jìn)行相位和幅值補償。C(Z)=KrZkS(Z)，重復(fù)控制器增益Kr用來調(diào)整相應(yīng)控制量的幅值。超前環(huán)節(jié)Zk用來補償系統(tǒng)的相位滯后θ，k=θN/360。濾波器S(Z)抵消諧振峰值，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。零相移濾波器可以對固定頻率有很強的衰減[7]，文中將二階濾波器和零相移濾波器相結(jié)合作為S(Z)。實驗中對雙閉環(huán)控制器中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使控制效果最優(yōu)。

3　控制系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)閉環(huán)仿真模型如圖5所示。

圖5系統(tǒng)閉環(huán)仿真模型

逆變橋的輸出首先經(jīng)過升壓變壓器、經(jīng)LC濾波器濾波后輸出。檢測到的電壓值與給定參考進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差，經(jīng)過復(fù)合控制器輸出相應(yīng)的控制量，調(diào)整由數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011產(chǎn)生的PWM波形占空比，進(jìn)而控制逆變橋中MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，使輸出電壓波形較好的跟蹤給定參考。文中雙閉環(huán)控制中，內(nèi)環(huán)、外環(huán)只采用了比例調(diào)節(jié)器，因為加入積分調(diào)節(jié)器會使輸出信號產(chǎn)生相位滯后，增加系統(tǒng)控制難度，加入微分環(huán)節(jié)會使系統(tǒng)的干擾信號增大，影響控制效果[8]。

系統(tǒng)復(fù)合控制器框圖如圖6所示。

圖6復(fù)合控制器框圖

系統(tǒng)檢測到的電壓值與給定參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號，經(jīng)過復(fù)合控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，有效地抑制偏差，進(jìn)而實現(xiàn)跟蹤給定參考。檢測到的電流值與電壓環(huán)的輸出值比較，增強系統(tǒng)的抗干擾能力及負(fù)載突變時的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)存在偏差時，通過雙閉環(huán)控制器使系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)，通過重復(fù)控制器逐周期的消除偏差，較好地跟蹤給定信號，系統(tǒng)采用復(fù)合控制方法時有更好的動靜態(tài)性能。

4　仿真實驗研究

仿真參數(shù)如下：直流母線電壓為24V；額定輸出電壓為交流220V；額定輸出電壓頻率為50Hz；濾波電感、電容分別為L=1mH,C=40μF，濾波電感等效串聯(lián)電阻為0.1Ω，濾波電容等效串聯(lián)電阻為0.01Ω；仿真時間0.1s。系統(tǒng)仿真波形如圖7所示。

(a) 雙閉環(huán)控制仿真波形(kv=2,ki=2) (b) 雙閉環(huán)控制仿真波形(kv=6,ki=4)

(c) 重復(fù)控制空載仿真波形　　　　　　　　　　　　　　　 (d) 重復(fù)控制帶載仿真波形

(e) 復(fù)合控制帶載仿真波形　　　　　　　　　　　　　　　 (f) 復(fù)合控制突加負(fù)載仿真波形

圖中：U0——輸出電壓;

Uref——參考電壓;

I0——輸出電流。

系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方法時,從圖7(a)中可以看出，當(dāng)kv=2，ki=2時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較大。進(jìn)一步對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，取得最優(yōu)參數(shù)kv=6，ki=4，仿真波形見圖7(b)，與圖7(a)相比較，雖然系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小，但穩(wěn)態(tài)效果仍不理想。如繼續(xù)增大kv或者ki，系統(tǒng)將會振蕩。

系統(tǒng)采用重復(fù)控制方法時，輸出波形見圖7(c)、(d)。從圖中可以看出，在重復(fù)控制器的作用下，從第一個周期開始，逐周期的減小偏差，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較慢，穩(wěn)態(tài)誤差較小。

系統(tǒng)采用復(fù)合控制方法時，輸出波形見圖7(e)、(f)。當(dāng)存在偏差時，可以通過復(fù)合控制器逐周期地消除偏差，動態(tài)響應(yīng)迅速，能夠較好地跟蹤給定信號。系統(tǒng)采用復(fù)合控制方法有更好的動靜態(tài)效果。

5　實驗研究

采用單相全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計了逆變電源系統(tǒng)。其中包括功率開關(guān)管、起到保護(hù)功率開關(guān)作用的二極管、起到續(xù)流作用的二極管以及功率開關(guān)管的輸入電阻等外圍配置元件，其主體電路圖如圖8所示。

圖8逆變器主電路

圖8為文中設(shè)計的逆變電源系統(tǒng)主電路，直流母線電壓為24V，圖中H1、L1、H2、L2分別代表第一片及第二片驅(qū)動芯片IR2110的高端輸出及低端輸出。核心控制器dsPIC30F4011檢測輸出電壓值，并根據(jù)復(fù)合控制方法產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，進(jìn)而由PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)脈寬的PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片控制兩組橋臂交替導(dǎo)通及每組橋臂中MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，使輸出為穩(wěn)定的電壓波形。功率開關(guān)管選擇為MOS管IRF3205，其能夠承受電壓最大為55V，允許通過的最大電流為110A，每一組橋臂均由10個MOS管組成，5個并聯(lián)在一起作為一個整體，起到分流作用。與IRF3205反并聯(lián)的二極管選擇為IN4007，其反向耐壓值可達(dá)700V，滿足文中要求。與柵極輸入電阻相連的二極管選擇為IN4007，主要起到續(xù)流的作用，確保MOS管有效的關(guān)斷，避免直通現(xiàn)象發(fā)生。在理論分析和仿真分析基礎(chǔ)上，以數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011作為核心，實現(xiàn)復(fù)合控制方法，應(yīng)用于單項全橋逆變電源系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出電壓波形如圖9和圖10所示。

圖9空載時系統(tǒng)輸出

圖10　帶載時系統(tǒng)輸出

圖9和圖10分別為濾波后的空載輸出電壓波形和濾波后的帶阻性負(fù)載電壓波形。從圖中可以看出，在空載和帶載的情況下，輸出電壓波形較好，輸出電壓無明顯變化，系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率比較好，有良好的動、靜態(tài)性能。

6　結(jié)　語

重點研究逆變電源的復(fù)合控制方案，分析了重復(fù)控制方法和雙閉環(huán)控制方法的優(yōu)缺點，將二者相結(jié)合，取長補短，優(yōu)勢互補，構(gòu)成復(fù)合控制方法。在仿真實驗的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011將復(fù)合控制方法應(yīng)用于逆變電源系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，復(fù)合控制方法結(jié)合了雙閉環(huán)控制方法和重復(fù)控制方法的優(yōu)點，有效地改善了逆變電源系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，動態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度高。復(fù)合控制方法是一種優(yōu)良的控制方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Base on dsPIC30F4011 compound control of an inverter power

GUOJinku，ZHAOBin，LIYan，LIUKeping*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Repetitivecontrolanddoubleloopcontrolarecombinedtogetherapplyinginasingle-phaseinverterpowersystem.ThesimulationmodelisbuiltthedigitalsignalcontrollerdsPIC30F4011isusedtofulfillthecompoundcontrol.

inverter；repetitivecontrol；compoundcontrol.

2015-04-16

吉林省科技發(fā)展計劃項目資助(20140204026GX)

郭金庫 (1990-)，男，漢族，吉林德惠人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事智能控制方向研究,E-mail:1057191467@qq.com. *通訊作者：劉克平(1971-)，男，漢族，吉林汪清人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化與控制方向研究,E-mail:liukeping@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.4.12

TM773

A

1674-1374(2016)04-0372-07