正弦波逆变电源的数字控制技术

正弦波逆变电源的数字控制技术谢力华 ,苏彦民西安交通大学 ,西安 710049 摘要 概述了逆变电源数字化技术的现状 、 意义 ,详细介绍了逆变电源数字控制的几种控制策略 。指出了逆变电源数字控制技术发展的趋势 。关键词 逆变器 ;电源 ;数字控制中图分类号 TN86 文献标识码 A 文章编号 1000 - 100X 2001 06 - 0052 - 04Digital Control of Sine Wave InverterXIE Li 2hua , SU Yan2min Xi ’ an Jiaotong U niversity , Xi ’ an 710049 , China Abstract In this paper , present situation and significance of the digital control inverter are summarized. Digital con2trol means of sine wave inverter are introduced in detail. Development trend of the digital control inverter is pointed out.Keywords inverter ; power supply ; digital control1 引 言随着信息技术的发展 ,逆变电源越来越广泛地应用于银行 、 证券 、 军事 、 医疗 、 航空航天等领域 ,早期的逆变电源 ,只需要其输出不断电 ,稳压 ,稳频即可 ,然而 ,今天的逆变电源除这些要求外 ,还必须环保无污染 ,即绿色环保逆变电源 。同时随着网络技术的发展 ,对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求 。 高性能的逆变电源必须满足 ① 高的输入功率因数 ,低的输出阻抗 ; ② 快速的暂态响应 ,稳态精度高 ; ③ 稳定性高 ,效率高 ,可靠性高 ; ④ 低的电磁干扰 ; ⑤ 智能化 ; ⑥ 完善的网络功能 。 显然这些要求的实现离不开数字化控制技术 。传统的逆变电源采用模拟电路控制 ,但模拟控制存在许多固有的缺点 1 因采用大量的分散元件和电路板 ,导致硬件成本偏高 ,系统的可靠性下降 ;2 由于人工调试器件的存在 ,如可调电位器 ,导致生产效率降低及控制系统的一致性差 ;3 器件老化及热漂移问题的存在 ,导致逆变电源输出性能下降 ,甚至导致输出失败 ;4 产品升级换代困难 ,对同一型号的模拟控制逆变电源 ,若不改动硬件 ,升级是不可能的 ,每一个新型的逆变电源都要求重新设计 、 制造控制系统 ;收稿日期 2001 - 04 - 28定稿日期 2001 - 07 - 05作者简介 谢力华 1971 - ,男 ,江西奉新人 ,博士生 ,研究方向为逆变电源数字控制技术和交流调速 。5 模拟控制的逆变电源的监控功能有限 ,一旦出现故障 ,要想恢复正常 ,技术人员必须亲赴现场 。80 年代初期 ,为了提高逆变电源的通信功能及显示功能 ,逆变电源的设计中采用了微处理器 ,但是 ,由于微处理器的速度问题 ,逆变电源的控制仍然采用模拟电路进行 。数字化 、 网络化已经成为信息社会的主流 。随着高性能的 DSP 控制器的出现 ,逆变电源的全数字控制成为现实 。 DSP 能够实时地读取逆变电源的输出 ,并实时地计算出 PWM 输出值 ,使得一些先进的控制策略应用于逆变电源的控制成为可能 。 这对于逆变电源大量非线性电子负载的状况 ,可以针对非线性负载动态变化产生的谐波进行动态的补偿 ,从而使得输出谐波达到可接受的水平 。2 逆变电源数字控制的现状早期的微处理器运算速度有限 ,通常只具有给定正弦波的发生 、 控制逆变电源的开关及实现保护显示等功能 ,逆变电源的核心 逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与 。随着电机控制专用 DSP的出现和控制理论的普遍发展 ,使得逆变电源的控制技术朝着全数字化 、 智能化及网络化的方向发展 ,逆变电源的数字控制技术发生了一次大的飞跃 。逆变电源采用数字控制 ,具有以下明显优点 1 易于采用先进的控制方法和智能控制策略 ,使得逆变电源的智能化程度更高 ,性能更完美 。2 控制灵活 ,系统升级方便 ,甚至可以在线修改控制算法 ,而不必改动硬件线路 。3 控制系统的可靠性提高 ,易于标准化 ,可以25第 35 卷第 6 期2001 年 12 月电力电子技术Power ElectronicsVol. 35 ,No. 6December ,2001 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.针对不同的系统 或不同型号的产品 ,采用统一的控制板 ,而只是对控制软件做一些调整即可 。4 系统维护方便 ,一旦出现故障 ,可以很方便地通过 RS232接口或 RS485接口或 USB 接口进行调试 ,故障查询 ,历史记录查询 ,故障诊断 ,软件修复 ,甚至控制参数的在线修改 、 调试 ; 也可以通过MODEM 远程操作 。5 系统的一致性较好 ,成本低 ,生产制造方便 。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异 ,所以 ,其一致性很好 ,由于采用软件控制 ,控制板的体积将大大减小 ,生产成本下降 。6 易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统 。 为了得到高性能的并联运行逆变电源系统 ,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制 ,易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法 不需要通讯 ,从而实现高可靠性 、 高冗余度的逆变电源并联运行系统 。可见 ,数字化是逆变电源发展的主要方向 ,然而 ,也存在着挑战 ,原因是 ① 模拟控制中存在的许多问题有待于数字控制来解决 ; ② 逆变电源的数字控制仍然存在硬件和软件上的一些困难 。 目前的困难主要来自于 ① 逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号 ,它不同于一般的开关电源的常值控制 。在闭环控制下 ,给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差 ,这种相位差与负载是相关的 ,这就给控制器的设计带来了困难 ; ②逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大 ,输入电压的波动幅度和负载的性质 、 大小的变化范围往往比较大 ,这些都增加了控制对象的复杂性 ,使得控制对象模型的高阶性 、 不确定性 、 非线性显著增加 ; ③ 对于数字式 PWM ,都存在一个开关周期的失控区间 一般是在每个开关周期的开始或上个周期之末来确定本次脉冲的宽度 ,即使这时系统发生了变化 ,也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整 。 当然 ,正是有着众多的优点 ,而问题又存在 ,才使得逆变电源的数字化控制在国内外引起了广泛的关注 。3 正弦波逆变电源的控制策略随着控制芯片性能的日益增强 ,电力电子装置的控制系统逐步实现了数字化 。 在现代控制理论和智能控制策略应用方面 ,一些新的控制方式如神经网络控制 、 模型参考自适应控制 、 滑模变结构控制 、专家系统控制 、 模糊控制等也逐渐进入了电力电子电路控制领域 。 常规的控制策略依赖于模型的精确性 ,而电路参数具有非线性和时变性 ,为了克服电路参数的时变性和不准确性带来的问题 ,可以利用在线辨识系统参数来实现参数自适应控制 ,亦可以采用滑模变结构控制这种对参数变化不敏感的方式 。另外 ,采用预测模型 、 滚动优化 、 反馈校正和多步预测的预测控制也可以获得更多的系统的实时信息 ,以提高控制系统的鲁棒性 ,改善控制效果 。 此外 ,将预测控制与自校正技术结合起来 ,可以提高模型的精度 ,减少预测模型输出误差 ,提高控制效果 。正是有了高性能的 DSP ,才有可能将无差拍控制 、 重复控制 、 变结构控制 、 模糊控制 、 神经网络控制及一些智能控制的思想应用到逆变电源的控制系统之中 ,也就有了今天的逆变电源控制策略的众多成果 ,使得逆变电源的性能 、 可靠性不断提高 ,维护更加方便 。 下面介绍逆变电源的主要控制策略 。311 PID 控制PID 控制以其简单 、 参数易于整定等特点 ,广泛应用于工程实践之中 。早期的逆变电源的控制 ,多为模拟 PID 控制 ,单纯采用输出电压的瞬时值反馈 ,采用模拟 PID 控制器进行调节 ,其性能特别是动态性能及负载为非线性的时候 ,不会令人满意 ,为此 ,进行了大量的研究 ,并把输出电感电流及输出滤波电容电流的瞬时值引入了控制系统 ,使得逆变电源的输出性能得到了较大的改进 。然而 ,庞大的模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降 ,调试复杂 ,不易于整定 。 DSP 的出现 ,这个问题迅速解决 ,如今各种补偿措施已经方便地应用于逆变电源的数字PID 控制之中 ,电压 、 电流控制的引入 ,使得逆变电源的数字 PID 控制的效果得以改善 。针对传统数字 PID 控制存在的一些问题 ,智能控制的思路也引入 PID 控制之中 ,并在逆变电源的控制中得以应用 ;同时 ,其它控制策略也不断地引入其中 ,使古老的 PID 控制仍充满活力 。312 无差拍控制 Deadbeat Control [ 11]无差拍控制是一种基于微机实现的 PWM 方案 。 它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度 。 在图 1 所示的逆变电源中 ,可将负载等效为一电流源 ,其值 i 0 为任意值 。选择输出电压 V 、 电感电流 iL为状态变量 ,系统的状态方程为 x A x B uy Cx1式中 x [ V i L ] T ; y V ; u [ U i0 ] T ;35正弦波逆变电源的数字控制技术 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.将式 1 离散化得 V k 1 a11 V k a12 i L k a21 U k a22 I k 2式 2 说明 ,输出电压的下一次采样值是本次输出电压 、 电感电流 、 逆变桥输出电压以及负载电流采样值的线性结合 。令输出电压 V k 1 与其指令参考值 V ref k 1相等 ,就得到无差拍控制率 。图 1 逆变电源系统图U k 是由逆变电源直流母线电压 E 和脉冲宽度 T k 决定的 ,可以由下式计算脉冲宽度 T k T k U k T/ E[ V ref k 1 - a11 V k -a12 iL k - b12 i 0 k ] T/ Eb11 3此算法中 ,每个采样间隔发出的控制量 T k是根据当前时刻的状态向量和下一采样时刻的参考正弦值计算出来的 ,由负载扰动或非线性负载引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正 。无差拍控制有着非常快的暂态响应 ,当负载突然变化时 ,只要几个开关周期就可以调整输出电压 ,输出能够很好地跟踪给定值 ;波形的畸变率小 ,即使开关频率不是很高 ,无差拍控制也能够得到较好的输出波形品质 ;无差拍控制能够使得输出电压的相位与负载关系不大 ,它通过调节逆变桥的输出相位来补偿 LC 滤波器的相位延时 。但是 ,无差拍控制的自身缺点也十分明显 ① 无差拍控制系统的鲁棒性不强 ,当负载变化 ,非线性负载或者温度 、 运行条件等原因出现参数波动 ,都容易造成系统的不稳定或者输出性能恶化 ; ② 系统的误差与调制比输出的LC 等有关 ; ③ 瞬态超调量较大 。为了克服无差拍控制的缺点 ,在无差拍控制之中引入智能控制的思想 ,如模糊控制 、 神经网络控制等 ,仍是今天的研究热点 。313 滑 模 变 结 构 控 制 Sliding2Mode VariableStructure Control滑模变结构控制系统最大的优点是其对参数变化及外部干扰的不敏感性 ,即强鲁棒性 ,加上其固有的开关特性 ,特别适用于电力电子的闭环控制之中 。早期的逆变电源的滑模变结构控制多采用模拟控制技术 ,这存在控制硬件电路特别复杂 、 控制功能有限的弱点 。 微处理器的应用能够减小滑模变结构控制器的复杂性 ,但是连续滑模控制器的设计方法不能够直接用于离散滑模控制器的设计 ,微处理器的离散采样可能会导致系统的震动或系统的不稳定 。 所以 ,这就需要离散滑模控制技术 ,它完全不同于常规的连续滑模控制理论 。适合于微处理器实现的离散滑模控制能够使逆变电源输出波形有较好的暂态响应 ,但是系统的稳态性能却不够理想 。文献 [ 2] 在离散滑模控制的基础上引入了前馈控制策略 ,如图 2 所示 ,以便在系统的鲁棒性不受影响前提下 ,改善系统的稳态性能 ,这样控制系统的暂态性能和稳态精度都能够得到提高 。 但是 ,当负载超出正常值后 ,滑模控制器的负担将会变得非常重 。 文献 [ 5 ]在文献 [ 2 ]的基础上发展了自矫正离散滑模控制 ,其控制框图如图 3 所示 ,逆变电源的控制器由可通过参数自适应调整机构调整的线性前馈控制器和非线性滑模控制器组成 ,滑模控制器仅在负载变化导致输出电压发生变化时才产生控制力 ,稳态状态的控制力主要由前馈控制器提供 ,滑模控制器的切换面 超平面 是根据优化准则进行设计的 ,以致被控逆变器的行为能够依照选择的价值函数进行优化 ;负载干扰的影响已经考虑在滑模控制器的设计之中 。滑模控制有着明显的优点 快速性和强鲁棒性 ,但也存在控制系统稳态效果不佳 、 理想滑模切换面难于选取 、 控制效果受采样率的影响等弱点 。如今逆变电源的滑模控制的研究方兴未艾 ,特别是滑模控制和其它智能控制策略相结合形成新的集成控制策略 ,更是一条有意义的探索之路 。45第 35 卷第 6 期2001 年 12 月电力电子技术Power ElectronicsVol. 35 ,No. 6December ,2001 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.314 模糊控制 Fuzzy Control [ 3 ,4]复杂的电力电子装置是一个多变量 、 非线性 、 时变的系统 ,系统的复杂性和模型的精确性总是存在着矛盾 。 而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡 ,有效地对复杂事物做出判断和处理 ,近年来 ,它在电力电子领域中的应用引起了人们的重视 。对于高性能的逆变电源的设计 ,模糊控制器有着以下优点 ① 模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型 ,模糊控制器有着较强的鲁棒性和自适应性 ; ② 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少的时间 ,因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差 。文献 [ 4]采用输出电压和电感电流反馈 ,即把电压误差和电感电流作为输入模糊变量 ,实现了逆变电源的模糊控制 ,在整流性负载的状态下 ,系统能够保证输出的 T HD 小于 5 。 文献 [ 3 ]将模糊控制与无差拍控制相结合 ,模糊控制用来补偿由于非线性负载导致的电压跌落 ,其原理框图如图 4 所示 。图 4 带有模糊补偿器的逆变电源控制框图模糊控制属于智能控制的范畴 。 与传统的控制方式相比 ,智能控制最大的好处是不依赖控制对象的数学模型 ;模糊控制从模仿人的思维外特性入手 ,模仿人的模糊信息处理能力 。理论上已经证明 ,模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数 ,但受到当前技术水平的限制 ,模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制 ,隶属函数的确定还没有统一的理论指导 ,带有一定的人为因素 ,因此模糊控制的精度有待于进一步提高 。模糊逻辑 、 神经网络和专家系统出现融合的趋势 ,展示了模糊逻辑 、 神经网络和专家系统相辅相成 、 优势互补的强大生命力 。采用神经网络确定隶属函数 ,记忆模糊规则和进行模糊推理等研究已取得一定的成果 ,各种模糊神经网络的拓扑结构和算法不断涌现 ,模糊逻辑和专家系统结合 ,可充分利用专家系统知识推理机制和知识抽取能力 。可见 ,未来模糊控制必将成为逆变电源的核心控制技术之一 。315 重复控制 Repetitive Control [ 6 ,9]重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理 [8 ] ,内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理 。 逆变电源的重复控制的主要目的是为了克服整流型负载引起的输出波形周期性的畸变 。重复控制一般和其它 PWM 控制方式相结合 ,用来改善输出电压波形 ,重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现 ,控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号 ,然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上 ,以消除后面各周期中将出现的重复性畸变 。图 5、 图 6 给出了常用的重复控制系统框图 。其中 r 为给定的跟踪信号 , d 为扰动信号 , P z 为控制对象 , y 为实际输出 。 周期延迟环节 z2N 是为了针对重复性扰动在下一周期控制作用中起超前作用的 ,即对控制器进行超前相位补偿 。补偿器 C z 的作用是提供相位补偿和幅值补偿 ,以保证控制系统的稳定性 ,并改善输出波形 。图 5 重复控制系统框图图 5 所示的重复控制器是直接串联在系统的前向通道上的 ,当系统的控制指令突加时 ,如逆变电源开机 ,控制系统的快速性必然存在问题 ,考虑到重复控制器只是抑制系统的指令跟踪误差 ,因此图 6 所示的 “ 嵌入式” 结构更为合理 。图 6 嵌入式重复控制系统框图重复控制能够使得系统获得很好的静态性能 ,易于实现 ,但该技术却不能够获得好的动态性能 。为此文献 [ 7 ]研究了自适应重复控制方案 ,并成功地应用于逆变电源的控制之中 ;文献 [ 6 ]为了获得逆变电源的良好的动态性能和稳态性能 ,对由伺服控制器和重复控制器组成的复合控制器进行了研究 ,伺服控制器能够使系统获得好的抗干扰能力 ,重复控制器减小了系统在周期干扰下产生的稳态误差 。 下转第 51 页 55第 35 卷第 6 期2001 年 12 月电力电子技术Power ElectronicsVol. 35 ,No. 6December ,2001 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 5a ,图 5b 所示为采用所述方法利用 Saber的MAST 语言所建的 MU R860 模型仿真得出的反向恢复电流和正向恢复电压波形 。a 反向恢复电流 b 正向恢复电压图 5 新建 MUR860 模型仿真波形比较图 3 ,图 4 和图 5 可以看出 ,现有的仿真器Saber中的器件模型仍然无法仿真二极管的正向恢复 ,反向恢复的仿真也很不准确 。 而新模型正 、 反向恢复的仿真与实测结果吻合较好 。5 结论正确地仿真二 极 管 的 瞬 态 特 性 是 预 估 电 路EM I 的关键技术 。所提出的电荷控制模型具有简单明晰 ,模型参数少且易于抽取 ,运算速度快 ,精度较高的优点 。 该模型可以用 Saber的 MAST 语言写成 ,以替代现有的二极管模型用于电路的瞬态仿真和 EM I 分析 。参考文献 [1 ] Goebel H. and Hoffman K. . Power Diode Hybrid Modelwith Forward and Reverse Recovery for Use in CircuitSimulators[ C ]. in Proc. IEEE APEC ’ 92 ,1992 426 ～432.[ 2] Strollo A. G. M. . A New PIN Diode Modelling Approachfor Power Electronic PSPICE Simulations [ C ]. In Proc.IEEE PESC’ 94 ,1994 52～ 58.[3 ] Strollo A. G. M. . Improved PIN Diode Circuit Modelwith Automatic Parameter Extraction Technique [ C ]. InProc. IEEE PCDS’ 97 ,1997 328～ 334.[4 ] Lauritizen P. O. . A Simple Diode Model with ReverseRecovery[J ]. IEEE Trans. on Power Electron. , 1991 ,62 188 ～ 191.[ 5] Lauritizen P. O. 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Discrete Sliding 2Mode Control of aPWM Inverter for Sinusoidal Output Waveform Synthesiswith Optimal Sliding Curve [J ]. IEEE Trans. on PowerElectronics ,1996 ,11 4 567 ～ 576. 下转第 60 页 15用于传导 EMI 仿真的二极管高频模型的研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图中 Ch1 初级 MOSFET 漏极电压 100V/ 格 Ch2 续流 VS R 栅极电压 10V/ 格 Ch3 VS R 正向栅极电压 10V/ 格 Ch4 VS R 正向电流 10A/ 格 图 8a是一种电流驱动 VS R 模块 [5 ] 。该模块有4 个端口 ,两个端口是 VSR 的漏极和源极 ,另两个端口是能量恢复端口 ,分别和直流输出端的正极和负极连接 。 它可以用在各种开关电路中代替二极管整流 ,具有通用性 。 图 8b 为该电流驱动模块代替图 1中的 MOSFET 的实验波形 ,其中输入为 48V ,输出电压为 5V ,输出电流为 10A ,开关频率为 250kHz 。3. 3 能量恢复电流驱动 VSR 的优点 1 输入电压范围宽在输入电压变化时 ,驱动电压保持恒定 ,所以适用于输入电压范围较宽的场合 。具有连续模态CCM 和非连续模态 DCM 双工作模式 ,在输入电压较低时 ,变换器工作在 CCM ;当输入电压较高时 ,变换器工作在 DCM 。 通过调节绕组匝数 ,很容易调节 VS R 的驱动电压 。 在 N2 绕组和 VS R 栅极之间外加图腾柱驱动电路以加速开通和关断 。2 电流驱动 VSR 变换器易于并联传统的电压驱动 VS R 变换器不适合直接并联运行 。原因是 VS R MOSFET 是一个双向导通的开关 ,电流既可以从漏极流向源极 ,也可以从源极流向漏极 。 如果两个电压驱动的 VS R 变换器并联 ,在某些极端情况下 ,一个变换器提供电能 ,而另外一个变换器消耗电能 ,引起系统崩溃 。 然而 ,如果变换器采用电流驱动 VSR ,因为电流驱动 VS R 具有二极管自动截止特性 ,变换器中就不会流经反向电流 。3 通用性能量恢复电流驱动 VS R 可以方便地应用在正激变换器 、 反激变换器 、 推挽变换器 、 半桥变换器 、 全桥变换器和谐振变换器中代替二极管整流 ,并且不需要作任何变动 ,具有通用性 。4 结束语本文结合电压驱动同步整流器和电流驱动同步整流器的最新研究成果 ,详细分析了电压驱动同步整流器和电流驱动同步整流器的工作原理 ,给出了实用电路和实验波形 ,同时比较了两种驱动方式的优缺点 。 随着通讯和计算机事业的迅猛发展 ,低电压大电流 DC/ DC 功率变换器的广泛需求 ,同步整流技术必然得到进一步的发展 。参考文献 [ 1] Yamashita N. ,et al. 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