采用電感電流內(nèi)環(huán)的單相逆變器設(shè)計

摘要：分析了單相逆變器系統(tǒng)的數(shù)字控制特點，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，利用極點配置方法對控制系統(tǒng)參數(shù)進行了設(shè)計，并對系統(tǒng)進行了仿真，最后給出了各種實驗條件下的實驗波形。
關(guān)鍵詞：單相逆變器；雙環(huán)控制；極點配置；數(shù)字控制

0 引言
    要得到性能穩(wěn)定的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，其單臺逆變器的性能非常重要，因此，單臺逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見的單閉環(huán)控制技術(shù)主要有電壓瞬時值反饋、無差拍控制和重復(fù)控制等方案。為了滿足某些應(yīng)用場合的高性能指標要求，近來又出現(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，從而使逆變器動態(tài)響應(yīng)加快，同時加強了對非線性負載擾動的適應(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，而負載電流和電感電流完全不受其約束，因而不能通過限流實施對逆變電源的保護。在以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋時，通過限制濾波電感電流即可實現(xiàn)逆變器的過流保護。因此，通過對以上兩種控制方法進行比較，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
    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。

    在這個雙環(huán)控制方案中，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，簡稱雙環(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)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，以使整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且保證有很強的魯棒性；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：

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    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，但需考慮兩個調(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)計步驟比較復(fù)雜，因此還需要反復(fù)試驗驗證；而采用極點配置方法則可以大大簡化設(shè)計過程，同時能滿足高性能指標要求，因此，這種設(shè)計方法具有明顯的優(yōu)越性。本文采用的是基于極點配置的逆變器系統(tǒng)控制器的設(shè)計方案，這種控制器設(shè)計方法簡潔明了，參數(shù)計算容易，而且與性能指標之間有直接的量化關(guān)系，可以實現(xiàn)優(yōu)良的動、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)對調(diào)節(jié)時間的設(shè)計要求，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；PWM脈沖生成模塊采用雙極性調(diào)制方式。根據(jù)整個系統(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)?？紤]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，額定負載分別為ZL=100Ω時的輸出電壓和輸出電流仿真波形；由圖4可見，輸出電壓頻率均能穩(wěn)定在50H z；圖5所示為負載突減時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=20Ω切換到ZL=40Ω時的輸出電壓、電流仿真波形；圖6為負載突增時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=40Ω切換到ZL=20Ω時的輸出電壓、電流仿真波形；通過以上仿真波形圖可知，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，靜態(tài)誤差小，并具有很強的魯棒型，同時，這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)速度非?？?，因此可見，用該方法對該系統(tǒng)控制電路進行設(shè)計是有效而可行的。

4 實驗驗證
    筆者設(shè)計了一臺1kVA的逆變電焊電源實驗樣機，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)字信號處理器，是TI公司定點DSP2000系列中的一員，它是專門為控制與運動控制的數(shù)字化實現(xiàn)而設(shè)計的。該DSP可完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負載電壓和電流取樣、開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時間控制等。其軟件實現(xiàn)流程圖如圖7所示。

    圖8所示是數(shù)字控制逆變器的交流電流測試波形，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)計要求。

5 結(jié)束語
    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、及時的抗擾性來有效地抑制負載擾動的影響，在負載突變和非線性負載下，均具有較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的動態(tài)響應(yīng)。實驗和仿真結(jié)果表明，這是一種性能優(yōu)異的控制方法。