基于dsPIC30F4011的逆变电源复合控制

2016-10-12郭金库刘克平

长春工业大学学报 2016年4期

关键词：复合控制闭环控制闭环

郭金库,　赵　彬,　李　岩，刘克平

(长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春　130012)

基于dsPIC30F4011的逆变电源复合控制

郭金库,赵彬,李岩，刘克平*

(长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012)

将重复控制和双闭环控制相结合应用于单相逆变电源系统，建立了仿真模型，进行仿真实验。应用数字信号控制器dsPIC30F4011实现了该复合控制方法。

逆变电源；重复控制；复合控制

0　引　言

逆变电源的控制方法影响其输出电能的品质，其拓扑结构需要结合优良的控制方法才能输出高质量的电能，逆变电源的控制方法是近年来的研究热点之一[1-2]。第三代逆变电源采用实时反馈控制技术，目前,比较常用的实时反馈控制技术主要有双闭环控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制等[3]。实时反馈控制技术的应用，使逆变电源的性能得到大幅度的提升。随着用户对逆变电源性能要求的提高，单一的控制方法难以同时满足动态、静态两方面的要求，将控制方法结合在一起，优势互补，构成复合控制器是一种趋势所在。文中分析了双闭环控制和重复控制方法的优缺点，提出一种将两种控制方法相结合的复合控制方法，通过Matlab/Simulink软件进行仿真实验，仿真结果表明，与单一的控制方法相比，复合控制方法能够改善逆变电源系统的动静态品质，具有快速的动态响应和较小的稳态误差。

1　重复控制方法及双闭环控制方法

1.1重复控制方法研究

重复信号发生器结构如图1所示。

(a) 重复信号发生器 (b) 改进型重复发生器

图1重复信号发生器结构图

图1(a)为重复信号发生器，相当于以给定信号周期为步长的积分环节，可以实现跟踪给定信号，但对系统的鲁棒性极为不利。这种结构带来了单位圆上的开环极点，开环系统处于临界稳定状态。这种情况在实际工程应用中是不允许的，因此需要将这种结构加以改进，改进后重复信号发生器见图1(b)，在反馈回路加入辅助补偿器Q(z)，加入Q(z)后单位圆上的开环极点发生偏移，有利于系统的稳定。由图1(b)可得：

(1)

(2)

由式(2)可知，k时刻系统的输出等于(k-N)时刻输出的0.98倍与k时刻偏差的和。当输入量减小为输出量的2%时，累加过程相当于不再继续。通过加入辅助补偿器，系统的稳定性能得到了提高，但却牺牲了系统的稳态误差。实际中使用的均是改进型重复信号发生器见图1(b)。在此基础上添加周期延时环节Z-N、补偿器C(z)就构成了一个完整的重复控制器。重复控制器相当于在原有稳定系统的基础上嵌入重复控制器，这种控制结构可称为“嵌入式”结构。嵌入式重复控制系统结构图如图2所示。

图2嵌入式重复控制系统结构图

图中：r——参考输入;

y——系统输出电压;

d——扰动信号;

P(z)——控制对象;

Z-N——周期延时环节，串联在前向通道，实现控制动作延迟，实现本周期的检测信号直至下一个周期影响控制量。

对于重复控制器，当系统存在偏差时，重复控制器产生的相应的控制量至少要延迟一个周期[4]，所以采用重复控制方法，系统动态性能较差。

1.2双闭环控制方法研究

双闭环反馈分为电感电流双闭环反馈和电容电流双闭环反馈[5]，电感电流双闭环反馈中电流反馈量为流经电感的电流，电容电流反馈中电流的反馈量则为滤波电容电流，双闭环反馈的结构图如图3所示。

(a) 电感电流双闭环反馈

(b) 电容电流双闭环反馈

图中：uref——参考输入;

Kv——电压调节增益;

Ki——电流调节增益;

Z——负载。

由图3可以看出，参考输入电压与反馈电压信号做差得到偏差信号，经过电压调节器作用，作为电流环的输入，同反馈的电流信号作比较后，经过电流环调节器的作用输出相应的控制量。双闭环反馈控制采用电压作为外环反馈，电流为内环反馈，具有快速的动态响应，但稳态精度不高[6]。

2　复合控制方法研究及参数选择

通过对重复控制方法和双闭环控制方法的研究可知,二者各有优势，同时又各有不足之处，考虑到动、静态性能对系统的重要性，文中将重复控制器与双闭环控制器相结合构成复合控制器。采用复合控制，当存在偏差时，可以通过重复控制器逐周期的消除偏差，从而较好地跟踪给定信号，同时通过双闭环控制器加快系统的动态响应速度。重复控制提高系统的稳态性能，双闭环控制改善系统的动态性能，二者发挥各自优势，有效提高系统的动、静态性能。

复合控制系统框图如图4所示。

图4复合控制系统框图

图中：r——参考输入；

M——重复控制器的内模，M=Q(Z)Z-N+L，Q(Z)通常选取为略小于1的正常数，以实现系统的稳定。

用Kr来调整校正信号的幅值，超前环节Zk用来补偿滤波器S(Z)和控制对象P(Z)的总相位滞后，N为一个基波周期的采样次数，L=PdN/360，Q(Z)的相位滞后为Pd，文中取Q(Z)=0.95。补偿器C(Z)影响重复控制器控制效果，其作用是对P(Z)进行相位和幅值补偿。C(Z)=KrZkS(Z)，重复控制器增益Kr用来调整相应控制量的幅值。超前环节Zk用来补偿系统的相位滞后θ，k=θN/360。滤波器S(Z)抵消谐振峰值，提高系统的稳定性。零相移滤波器可以对固定频率有很强的衰减[7]，文中将二阶滤波器和零相移滤波器相结合作为S(Z)。实验中对双闭环控制器中的参数进行调整，使控制效果最优。

3　控制系统仿真

系统闭环仿真模型如图5所示。

图5系统闭环仿真模型

逆变桥的输出首先经过升压变压器、经LC滤波器滤波后输出。检测到的电压值与给定参考进行比较，产生偏差，经过复合控制器输出相应的控制量，调整由数字信号控制器dsPIC30F4011产生的PWM波形占空比，进而控制逆变桥中MOS管的导通和关断时间，使输出电压波形较好的跟踪给定参考。文中双闭环控制中，内环、外环只采用了比例调节器，因为加入积分调节器会使输出信号产生相位滞后，增加系统控制难度，加入微分环节会使系统的干扰信号增大，影响控制效果[8]。

系统复合控制器框图如图6所示。

图6复合控制器框图

系统检测到的电压值与给定参考电压进行比较，产生偏差信号，经过复合控制器产生相应的控制信号，有效地抑制偏差，进而实现跟踪给定参考。检测到的电流值与电压环的输出值比较，增强系统的抗干扰能力及负载突变时的调节能力。当存在偏差时，通过双闭环控制器使系统具有快速的动态响应，通过重复控制器逐周期的消除偏差，较好地跟踪给定信号，系统采用复合控制方法时有更好的动静态性能。

4　仿真实验研究

仿真参数如下：直流母线电压为24V；额定输出电压为交流220V；额定输出电压频率为50Hz；滤波电感、电容分别为L=1mH,C=40μF，滤波电感等效串联电阻为0.1Ω，滤波电容等效串联电阻为0.01Ω；仿真时间0.1s。系统仿真波形如图7所示。

(a) 双闭环控制仿真波形(kv=2,ki=2) (b) 双闭环控制仿真波形(kv=6,ki=4)

(e) 复合控制带载仿真波形　　　　　　　　　　　　　　　 (f) 复合控制突加负载仿真波形

图中：U0——输出电压;

Uref——参考电压;

I0——输出电流。

系统采用双闭环控制方法时,从图7(a)中可以看出，当kv=2，ki=2时，系统稳态误差较大。进一步对参数进行调整，取得最优参数kv=6，ki=4，仿真波形见图7(b)，与图7(a)相比较，虽然系统稳态误差明显减小，但稳态效果仍不理想。如继续增大kv或者ki，系统将会振荡。

系统采用重复控制方法时，输出波形见图7(c)、(d)。从图中可以看出，在重复控制器的作用下，从第一个周期开始，逐周期的减小偏差，系统的动态响应较慢，稳态误差较小。

系统采用复合控制方法时，输出波形见图7(e)、(f)。当存在偏差时，可以通过复合控制器逐周期地消除偏差，动态响应迅速，能够较好地跟踪给定信号。系统采用复合控制方法有更好的动静态效果。

5　实验研究

采用单相全桥逆变电路的结构设计了逆变电源系统。其中包括功率开关管、起到保护功率开关作用的二极管、起到续流作用的二极管以及功率开关管的输入电阻等外围配置元件，其主体电路图如图8所示。

图8逆变器主电路

图8为文中设计的逆变电源系统主电路，直流母线电压为24V，图中H1、L1、H2、L2分别代表第一片及第二片驱动芯片IR2110的高端输出及低端输出。核心控制器dsPIC30F4011检测输出电压值，并根据复合控制方法产生相应的控制量，进而由PWM模块产生相应脉宽的PWM信号，经过驱动芯片控制两组桥臂交替导通及每组桥臂中MOS管的导通和关断的时间，使输出为稳定的电压波形。功率开关管选择为MOS管IRF3205，其能够承受电压最大为55V，允许通过的最大电流为110A，每一组桥臂均由10个MOS管组成，5个并联在一起作为一个整体，起到分流作用。与IRF3205反并联的二极管选择为IN4007，其反向耐压值可达700V，满足文中要求。与栅极输入电阻相连的二极管选择为IN4007，主要起到续流的作用，确保MOS管有效的关断，避免直通现象发生。在理论分析和仿真分析基础上，以数字信号控制器dsPIC30F4011作为核心，实现复合控制方法，应用于单项全桥逆变电源系统，系统输出电压波形如图9和图10所示。

图9空载时系统输出

图10　带载时系统输出

图9和图10分别为滤波后的空载输出电压波形和滤波后的带阻性负载电压波形。从图中可以看出，在空载和带载的情况下，输出电压波形较好，输出电压无明显变化，系统负载调整率比较好，有良好的动、静态性能。

6　结　语

重点研究逆变电源的复合控制方案，分析了重复控制方法和双闭环控制方法的优缺点，将二者相结合，取长补短，优势互补，构成复合控制方法。在仿真实验的基础上，通过数字信号控制器dsPIC30F4011将复合控制方法应用于逆变电源系统。实验结果表明，复合控制方法结合了双闭环控制方法和重复控制方法的优点，有效地改善了逆变电源系统的动静态性能，动态响应速度快，稳态精度高。复合控制方法是一种优良的控制方法，具有广泛的应用前景。

[1]李勇,王国富,高东东.新型单相逆变电源及其控制算法的研究[J].电力电子技术,2013,47(10)：90-92.

[2]杨照辉，陈红娟.基于SPWM模块化逆变电源的研究及设计[J].电源技术,2014,38(7):1349-1351.

[3]沈兰兰,李海标,秦泽熙.基于SPWM的逆变技术研究[J].电子技术应用,2014,40(8):58-61.

[4]侯磊.以新型单片机为核心的正弦逆变电源设计[D].呼和浩特：内蒙古大学,2013.

[5]TsaiMiching,YaoWusung.Designofaplug-intyperepetitivecontrollerforperiodicinputs[J].IEEETransonControlSystemsTechnology，2002，10(4)：547-555.

[6]邹丽爽.逆变器数控算法的研究与实现[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2009.

[7]梁美丽.基于SPWM技术的独立逆变电源技术设计[J].电子制作,2013(20)：14-15.

[8]杨冬冬.基于DSP的逆变电源数字控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

Base on dsPIC30F4011 compound control of an inverter power

GUOJinku，ZHAOBin，LIYan，LIUKeping*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Repetitivecontrolanddoubleloopcontrolarecombinedtogetherapplyinginasingle-phaseinverterpowersystem.ThesimulationmodelisbuiltthedigitalsignalcontrollerdsPIC30F4011isusedtofulfillthecompoundcontrol.

inverter；repetitivecontrol；compoundcontrol.

2015-04-16

吉林省科技发展计划项目资助(20140204026GX)

郭金库 (1990-)，男，汉族，吉林德惠人，长春工业大学硕士研究生，主要从事智能控制方向研究,E-mail:1057191467@qq.com. *通讯作者：刘克平(1971-)，男，汉族，吉林汪清人，长春工业大学教授，博士，主要从事复杂系统建模、优化与控制方向研究,E-mail:liukeping@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.4.12

TM773

1674-1374(2016)04-0372-07