基于极点配置的逆变电源重复控制器设计
2014-05-13丁海波杨艳刘鹏
丁海波 杨艳 刘鹏
摘 要：为改善逆变器动态特性和稳态性能，文章设计了极点配置和重复控制串联的控制器方案。控制系统引入状态反馈和极点配置，采用重复控制器进行电压修正和补偿。实验证明该设计提高了逆变器动态性能且能够获得更高精度的稳态输出波形。
关键词：逆变器；重复控制；极点配置
引言
由于逆变器状态变量变化快且动态特性差，寻找一种既能保证稳态精度和快速实现的瞬时控制方案比较困难[1]。将瞬时值控制结合重复控制，瞬时值控制主要用于改善逆变器动态特性；重复控制则专门用于获得稳态输出。二者的结合和补充大大简化了控制器设计，且全面提升了系统的动静态性能。
1 逆变器重复控制策略
重复控制系统示意图如图1所示，其中y为逆变器电压输出，r为参考正弦输入，d为等效的周期性干扰信号，e为误差信号，z-N为周期延迟环节，N为采样次数，P（z）为控制对象，C（z）为补偿器，其中阴影表示重复信号发生器的内模[2]。
图1 重复控制系统的示意图
控制对象是单相半桥逆变器。由于输出基波频率和滤波器的截至频率远小于逆变器的开关频率，故逆变器的动态特性基本取决于输出滤波器[3]。实验装置单相半桥逆变电源构成如下：直流输入电压250V；滤波电容20uF；滤波电感1.1mH；采样频率10KHz；开关频率10KHz；死区时间2微秒；交流电压输出峰值100V，输出电压基波频率为50Hz。连续域逆变器传递函数为[4]：
在10kHz采样频率下将（1）用零阶保持器法离散
因此可知一个周期采样的次数N=200，Q（z）取0.95，故周期延迟环节z-N=z-200。
2 重复控制与极点配置相结合控制
逆变电源动态特性较差，是由于逆变器自身的阻尼较弱，即其两个极点太接近s域的虚轴或z域的单位圆[5]。而为增加逆变器的阻尼可以引入状态反馈，进行极点配置。仅通过状态反馈极点配置达到较高的稳态指标相对困难，增加重复控制可以解决此问题[6]。
首先配置状态反馈极点来改造逆变器的极点，改善其在指令跟踪和负载突变时的动态响应特性[7]；之后重复控制器采样计算极点配置控制系统的电压偏差值，据此渐次调整后者的电压信号提高基波幅值的输出精度和补偿波形畸变[8]。
极点配置串连重复控制，而前者改变了开环逆变器的频率特性，因此要重新设计重复控制。消除了谐振峰简化了补偿器的设计，并可不使用陷波滤波器，而高频衰减和中低频对消的任务仅用一个二阶滤波器就可以完成，设计选用
由于逆变器阻尼增加消除了加载过程的振荡，特别是通过瞬时值反馈补偿波形，进而重复控制器的处理负担被减轻了，波形在加载后第三个基波周期时就可恢复到稳态。
3 实验分析
采用改进后的系统实验波形如图2所示。逆变电源的动、静态性能被有效的改进，基本达到与状态反馈极点配置+重复控制一样的效果。
如图2所示，由于引入了电压微分反馈补偿器，其改善了系统的动态特性，使得突加负载的振荡过程消失，从而大大减轻了重复控制器的负担，因此逆变器调节的时间比仅用重复控制的设计要少，输出波形在第三个基波周期即可达到稳态。极点配置方案系统由于将负载扰动包含在状态反馈回路当中，因此对于负载扰动有好于微分反馈方案的效果。
4 结束语
重复控制会对扰动的抑制滞后一个基波周期，一些要求比较苛刻的负载来说是不能接受的。瞬时值反馈控制的方法具有较好的动态性能，由重复控制器来控制稳态波形，从而实现较好动静态性能的输出。实验结果显示，该控制器设计方案不但能够对动态性能进行改善，也明显提高了稳态波形的质量。
参考文献
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[8]裴雪军，段善旭，康勇，等.基于重复控制与瞬时值反馈控制的逆变电源研究[J].电力电子技术，2002（2）：12-14.
作者简介：丁海波（1978-），男，籍贯：吉林四平，学历：硕士，现职称：工程师，研究方向：大型医疗器械逆变电源设计。
