中心議題:
- 單相逆變器系統(tǒng)模型
- 單相逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真
解決方案:
- 帶輸出電流前饋的PI雙環(huán)數(shù)字化控制
- 極點(diǎn)配置方法
本文分析了單相逆變器系統(tǒng)的數(shù)字控制特點(diǎn),提出了一種帶輸出電流前饋的PI雙環(huán)(輸出電壓外環(huán)和濾波電感內(nèi)環(huán))數(shù)字化控制方案,利用極點(diǎn)配置方法對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,最后給出了各種實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)波形。
0 引言
要得到性能穩(wěn)定的逆變器并聯(lián)系統(tǒng),其單臺(tái)逆變器的性能非常重要,因此,單臺(tái)逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見(jiàn)的單閉環(huán)控制技術(shù)主要有電壓瞬時(shí)值反饋、無(wú)差拍控制和重復(fù)控制等方案。為了滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合的高性能指標(biāo)要求,近來(lái)又出現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。該方案的電流內(nèi)環(huán)增大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬,從而使逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快,同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)非線性負(fù)載擾動(dòng)的適應(yīng)能力,也減小了輸出電壓的諧波含量。
依據(jù)內(nèi)環(huán)電流反饋的不同,逆變器雙閉環(huán)控制可分為電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)兩種。在以濾波電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋的控制方法中,如果在電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)中增加電流限幅環(huán)節(jié),其只能限制電容電流大小,而負(fù)載電流和電感電流完全不受其約束,因而不能通過(guò)限流實(shí)施對(duì)逆變電源的保護(hù)。在以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋時(shí),通過(guò)限制濾波電感電流即可實(shí)現(xiàn)逆變器的過(guò)流保護(hù)。因此,通過(guò)對(duì)以上兩種控制方法進(jìn)行比較,本文采用以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋的控制方案。
1 逆變器系統(tǒng)模型
圖1所示為單相全橋逆變電源的主電路原理圖。圖中,Ud是逆變橋直流輸入電壓。L是輸出濾波電感,C是輸出濾波電容,r是輸出電感、死區(qū)效應(yīng)以及濾波電容的等效電阻。
對(duì)于圖1所示的單相全橋逆變器,可得到下面的單相逆變電源的連續(xù)域數(shù)學(xué)模型式:
2 逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本文的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)由外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器組成。其中外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調(diào)節(jié)器,內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器Gi(s)可以采用比例(P)調(diào)節(jié)器。圖2所示是逆變器電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
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在這個(gè)雙環(huán)控制方案中,電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器,簡(jiǎn)稱雙環(huán)PI-P控制方式。其中電流調(diào)節(jié)器Gi(s)的比例環(huán)節(jié)用來(lái)增加逆變器的阻尼系數(shù),以使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,并且保證有很強(qiáng)的魯棒性;電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器的作用是希望使輸出電壓波形能瞬時(shí)跟蹤給定值。這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快,而且靜態(tài)誤差也很小。
設(shè)電壓電流調(diào)節(jié)器分別為:
雙環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)可以按常規(guī)方法設(shè)計(jì),但需考慮兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間的響應(yīng)速度、頻帶寬度的相互影響與協(xié)調(diào)。由于控制器設(shè)計(jì)步驟比較復(fù)雜,因此還需要反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證;而采用極點(diǎn)配置方法則可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,同時(shí)能滿足高性能指標(biāo)要求,因此,這種設(shè)計(jì)方法具有明顯的優(yōu)越性。本文采用的是基于極點(diǎn)配置的逆變器系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方案,這種控制器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)潔明了,參數(shù)計(jì)算容易,而且與性能指標(biāo)之間有直接的量化關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性。此外,為了使系統(tǒng)超調(diào)更小,響應(yīng)更快,首先應(yīng)該要求預(yù)期系統(tǒng)特征方程可以寫(xiě)成如下的形式:
其次,應(yīng)該取ξ=0.7,以使得系統(tǒng)具有最小的超調(diào)量。之后,再依據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間的設(shè)計(jì)要求,便可以確定ωn的合適取值,一般取ωn略小于諧振頻率的值。這樣,將ξ和ωn代入(6)式后,就可得出系統(tǒng)的預(yù)期特征方程,然后比較方程系數(shù),就可得到系統(tǒng)的參數(shù)值。
3 單臺(tái)逆變器的仿真
圖3所示是在PSIM下構(gòu)建的逆變器仿真模型。該模型主要有三部分:主電路、控制器和PWM脈沖生成模塊。其中控制器用于實(shí)現(xiàn)電壓電流雙環(huán)控制,為產(chǎn)生PWM脈沖提供調(diào)制信號(hào);PWM脈沖生成模塊采用雙極性調(diào)制方式。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程,并綜合考慮系統(tǒng)的控制要求,再通過(guò)選取阻尼比和自然角頻率,就可以得到系統(tǒng)控制器的參數(shù)。考慮到單相全橋逆變器系統(tǒng)控制的性能要求,在此基礎(chǔ)上所確定的最終系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:
- 直流母線電壓:Ud=200 V;
- 額定輸出電壓:Uo=110V;
- 額定輸出電壓頻率:f=50 Hz;
- 額定輸出功率:S=1 kVA;
- 開(kāi)關(guān)頻率:fc=20 kHz;
- 濾波電感:L=0.5 mH;
- 濾波電容:C=10μF;
K2P=3.14,K1P=6.4,Kli=20096,Kv=0.0128,KL=0.1。
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圖4給出了在輸入電壓為200V,額定負(fù)載分別為ZL=100Ω時(shí)的輸出電壓和輸出電流仿真波形;由圖4可見(jiàn),輸出電壓頻率均能穩(wěn)定在50H z;圖5所示為負(fù)載突減時(shí)的仿真波形,其中突變部分是負(fù)載ZL=20Ω切換到ZL=40Ω時(shí)的輸出電壓、電流仿真波形;圖6為負(fù)載突增時(shí)的仿真波形,其中突變部分是負(fù)載ZL=40Ω切換到ZL=20Ω時(shí)的輸出電壓、電流仿真波形;通過(guò)以上仿真波形圖可知,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,靜態(tài)誤差小,并具有很強(qiáng)的魯棒型,同時(shí),這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非??欤虼丝梢?jiàn),用該方法對(duì)該系統(tǒng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)是有效而可行的。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
筆者設(shè)計(jì)了一臺(tái)1kVA的逆變電焊電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其系統(tǒng)的核心控制器是TI的DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是一款高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器,是TI公司定點(diǎn)DSP2000系列中的一員,它是專門(mén)為控制與運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。該DSP可完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負(fù)載電壓和電流取樣、開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間控制等。其軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。
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圖8所示是數(shù)字控制逆變器的交流電流測(cè)試波形,由圖8可以看出,本系統(tǒng)的交流輸出電流十分穩(wěn)定,完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
采用電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制逆變器系統(tǒng),可利用電流內(nèi)環(huán)快速、及時(shí)的抗擾性來(lái)有效地抑制負(fù)載擾動(dòng)的影響,在負(fù)載突變和非線性負(fù)載下,均具有較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明,這是一種性能優(yōu)異的控制方法。