400Hz逆變器電壓環(huán)反饋控制設計

    關鍵詞：Bode定理；Bode圖；回路增益

1 控制理論基礎

1．1 回路增益

對于一般負反饋控制系統(tǒng)，其閉環(huán)系統(tǒng)方框圖如圖1所示。閉環(huán)傳遞函數(shù)C（s)/R(s)=G(s)/[1+G(s)H(s)]，其特征方程式為F(s)=1＋G(s)H(s)=0，特征方程式的根即為系統(tǒng)的閉環(huán)極點。由此方程式可以看出G(s)H(s)項，其包含了所有關于閉環(huán)極點的信息，一般稱G(s)H(s)為回路增益。實際應用中，可通過對回路增益Bode圖的分析來設計系統(tǒng)的補償網絡，以達到閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

1．2 Bode定理

Bode定理對于判定所謂最小相位系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及求取穩(wěn)定裕量是十分有用的。其內容如下：

1）線性最小相位系統(tǒng)的幅相特性是一一對應的，具體地說，當給定整個頻率區(qū)間上的對數(shù)幅頻特性（精確特性）的斜率時，同一區(qū)間上的對數(shù)相頻特性也就被唯一地確定了；同樣地，當給定整個頻率區(qū)間上的相頻特性時，同一區(qū)間上的對數(shù)幅頻特性也被唯一地確定了；

2）在某一頻率（例如剪切頻率ωc）上的相位移，主要決定于同一頻率上的對數(shù)幅頻特性的斜率；離該斜率越遠，斜率對相位移的影響越??；某一頻率上的相位移與同一頻率上的對數(shù)幅頻特性的斜率的大致對應關系是，±20ndB/dec的斜率對應于大約±n90°的相位移，n=0，1，2，…。

例如，如果在剪切頻率ωc上的對數(shù)幅頻特性的漸進線的斜率是－20dB/dec，那么ωc上的相位移就大約接近－90°；如果ωc上的幅頻漸近線的斜率是－40dB/dec，那么該點上的相位移就接近－180°。在后一種情況下，閉環(huán)系統(tǒng)或者是不穩(wěn)定的，或者只具有不大的穩(wěn)定裕量。

在實際工程中，為了使系統(tǒng)具有相當?shù)南辔辉Ａ?，往往這樣設計開環(huán)傳遞函數(shù)，即使幅頻漸近線以－20dB/dec的斜率通過剪切點，并且至少在剪切頻率的左右，從ωc/4到2ωc的這段頻率范圍內保持上述漸近線斜率不變。

2 逆變器電壓環(huán)傳遞函數(shù)（建模）

一個逆變器的直流輸入電壓24V，交流輸出電壓110V，頻率400Hz，電路開關頻率40kHz，功率500W。其控制至輸出整個電壓環(huán)的電路結構如圖2所示?，F(xiàn)求其回路增益。

2．1 驅動信號d（s）至輸出Vo?s）的傳遞函數(shù)

1）驅動信號d為SPWM脈沖調制波，加在IGBT管的柵極（G）上，而輸入母線電壓Vin加在管子的集電極（C）和發(fā)射極（E）兩端，根據(jù)圖2所示結構，輸出電壓Vd與驅動d之間相差一個比例系數(shù)，設為K1，則K1=。在具體的逆變器電路中，母線電壓Vin為±200V，驅動信號為12V，代入可得K1=400/12=33.33。2）LC低通濾波網絡傳遞函數(shù)推導可得=Vo(s)/Vo'(s)=1/(s2LC+1)，其中L=3mH，C=2μF。

    綜上，驅動信號d（s）至輸出Vo（s）的傳遞函數(shù)為Vo(s)/d(s)=G1(s)=K1/(s2LC+1)；

2．2 輸出Vo（s）至反饋信號B（s）的傳遞函數(shù)H（s）

1）輸出電壓采樣變壓器的傳遞函數(shù)為一個比例系數(shù)，即其變比，設為K2，即V'o(s)/Vo(s)=K2，具體電路中，K2=18/110=0.164。

2）電阻電容分壓網絡如圖2虛線框所示，其傳遞函數(shù)為=B(s)/V'o(s)=1/(sR1C2+R1/R2+1)，其中R1=820Ω，R2=5.1kΩ，C2=10nF。

綜上，Vo（s）至B（s）的傳遞函數(shù)H(s)=B(s)/Vo(s)=K2/(sR1C2+R1/R2+1)；

2.3 脈寬調制器（PWM）傳遞函數(shù)Gd(s)

一般PWM調制器的傳遞函數(shù)為Gd(s)==，其中Vm為三角波最大振幅。在具體電路中，反饋信號與基準正弦波信號送入差動放大器，輸出誤差信號再與標準三角波比較，生成SPWM驅動信號。此處所用三角波的振幅為Vm=3V。

    綜上，在未加入補償網絡之前，整個回路增益為

G（s）=G1(s)H(s)Gd(s)

=K1/(s2LC+1)[K2/(sR1C2+R1/R2+1)(1/Vm)

=1.569/[(6×10-9s2+1)(7×10 -6s+1)

繪制其幅頻Bode圖，如圖3所示。

3 補償網絡設計

由前述Bode定理，補償網絡加入后的回路增益應滿足，幅頻漸近線以－20dB/dec的斜率穿過剪切點（ωc點），并且至少在剪切頻率左右從到2ωc的范圍內保持此斜率不變。

由此要求，首先選擇剪切頻率。實際應用中，選fc=fs/5為宜，其中fs為逆變器工作頻率或開關管開關頻率。具體逆變器中，開關頻率為40kHz，則fc=40/5=8kHz。

在未加補償網絡之前的回路增益Bode圖如圖3所示，在fc=8kHz處的增益為－20.17dB，由此，補償網絡應滿足如下條件，即在fc=8kHz處的增益為＋20.17dB，斜率為＋20dB/dec，而且，此斜率在fc/4=2kHz與2fc=16kHz（取15kHz）的范圍內保持不變。補償網絡的Bode圖如圖4所示（幅頻）。

由圖4可得：f1=2kHz處，G(ω)=20lg(2πf1)=8.129dB或者2.55（倍數(shù)）=AV1，f2=15kHz處，G(ω)=20lg(2πf2)=25.63dB或者19.12（倍數(shù)）=AV2，兩個零值對應頻率為fz1=fz2=2kHz，一個極值在fp1=15kHz處，另一個極值在fp2=20kHz處?？紤]選用如圖5所示補償放大器時，其電阻電容參數(shù)值可計算如下：

取R3=5.1kΩ，R0=39kΩ，則R2=R3AV2=97.5kΩ，C2=1/(2πfp2R2)=81.6pF，C1==816pF，R1=1/(2πfp1R3)=39kΩ，C3=π=2040pF。

實際電路中，取R2=100kΩ，C2=100pF，C1=800pF，R1=39kΩ，C3=2200pF。

4 實驗結果

將上面補償網絡加入后，逆變器可帶滿載并穩(wěn)定工作，其IGBT管兩端電壓vCE及輸出電壓vo的波形如圖6所示，電路工作條件為：功率P=500W（滿載），母線電壓Vin=±180V。

5 結語

實驗結果表明，將控制理論的頻率響應法應用于逆變器電壓單環(huán)反饋控制設計有其直觀簡單的優(yōu)點，同時易于實現(xiàn)。逆變器電路加入補償網絡后其穩(wěn)定性有所改善。不足之處在于，輸出波形在非線性負載及負載變化較大時畸變明顯，需要尋求更好的調節(jié)方法來改善。