一种双闭环控制方法在射频电源中的仿真应用

湖北工程学院物理与电子信息工程学院 刘 会

一种双闭环控制方法在射频电源中的仿真应用

湖北工程学院物理与电子信息工程学院 刘 会

传统的PID控制技术由于其算法简单，实现简易以及可靠性高等优点，能够对相当大一类的工业对象进行有效控制，特别是可以建立精确数学模型的确定性控制系统。但是，对于非线性、时变不确定的负载，传统的PID控制方式，难以达到理想的控制效果。本文引入了一种电流，电压双闭环反馈控制技术，设计了一种双闭环控制方式，并用simulink仿真软件进行了相关仿真。结果表明，逆变器输出稳定、波形畸变小、对负载有较好的适应性。

逆变器；双闭环控制

0 引言

UPS、感应电源、交流调速等工业设备都会用到正弦波逆变器，功率源对逆变器输出波形质量的要求苛刻[1][2][3]。本文在传统PID控制算法的基础上，模拟了逆变器控制中的双环控制算法。包括电压电流两种控制，以CO2激光器的射频电源为研究对象，对单相电压型的逆变器进行了建模。通过仿真，验证此种控制策略的合理性以及整个系统的鲁棒性。

1 逆变器模型

图1 逆变器拓扑结构Fig.1 Full-bridge inverter topology

图1 所示为逆变电路拓扑结构，其中，Vdc是直流输入电压，VAB为谐振端电压，UO为负载电压，L为输出电路对应的电感，C为输出电路对应的电容，r为电路中的等效电阻。直流电压源Vdc通过功率开关器件周期性的通断，向负载供电。电压VAB可以取三个值+，Vdc，0或-Vdc。因此，VAB输出为正负变化的方波信号。负载端的电流用IO表示。功率器件为开关模式。给定初始条件为Vdc恒定，MOS管为理想器件,逆变全桥视为增益恒定的放大器(基波、谐振频率较开关频率低很多)，其线性化模型可以采用状态空间平均法[4][5]。

2 控制器的设计

本文选取滤波电容电流内环控制系统作为控制的方案[6][7]。这种控制方案的限流保护作用有限。谐振电感的电流必须严格限制(对于逆变器的过流保护)，对于内环反馈可以尝试选择电感电流IL。但是，这种选择在抑制IC变化的同时也抑制了输出电流IO的突变，在抗扰动性方面表现不好[8]。所以本文采用电流内环引入负载电流前馈，并考虑储能元件的寄生电阻，图2所示为改进后的的控制系统框图。

图2 带电流前馈的双环控制原理图Fig.2 Schematic diagram of double loop control with feed forward

在图2所示中Lf为谐振电感，Cf为谐振电容，R为负载，r为等效电阻，Gw(S)为电压调节器，GN(S)为电流调节器，其中：

3 模型仿真与分析

依据本文的设计方案，在Matlab/Simulink下构建了以图2为原理的仿真模型，主电路采用单向全桥逆变模型，控制方式采用电压电流双环控制。

图3 阻容性负载输出波形Fig.6 Waveform of resistive and capacitive load

图4 突加，突卸负载输出波形Fig.4 Waveform of suddenly adding and uninstall load

依据系统的特征方程，综合考虑系统对控制的要求，放电管放电的参数要求，最终确定整个系统仿真参数如下：

（1）直流母线电压Ud=500V，输出功率1.5kW，输出电压有效值200V，频率1.8MHz；

（2）开关频率为2MHz，仿真时间为0.8us；

（3）输出滤波器参数为：L=4uH，C=3nF；

（4）控制器参数：PI1参数为：KP=1.0，KI=0.24，KD=0， PI2参数为：KP=0.5，KI=0，KD=0。

不同负载情况下的仿真：

（1）阻容性负载：R=15Ω，C=100uF；

（2）突加突卸负载：0-2uS，R=40；2-6uS，R=20；6-8uS，R=40。

由仿真波形可知，在图3所示中，在阻容性负载的情况下，系统输出电压、电流波形都较好，失真度较小。图4所示为突加、突卸负载情况下的仿真结果，结果显示0.2s和0.6s处，逆变器输出经历了突然由空载到阻性负载以及阻性负载到空载的变化，在这两个时刻输出电流进入稳态的时间都较短，同时对应电压的变化平稳。

[1]李波．高功率轴快流CO2激光器高效稳定放电方法研究[D]．武汉:华中科技大学,2010:22-26．

[2]王兆安,黄俊．电力电子技术[M]．北京:机械工业出版社,2003: 96-99．

[3]陈江辉,谢运祥,陈兵．逆变电路的控制技术与策略[J]．电气应用,2006,25(9):102-106．

[4]马学军．单相电压型PWM逆变器的数学模型和数字仿真[J]．黄石高等专科学校学报,2004,20(2):1-4．

[5]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,2002,36(1):12-14．

[6]舒为亮,张昌盛,段善旭,等．逆变电源PI双环数字控制技术研究[J]．电工电能新技术,2005,24(2):52-54．

[7]郭卫农,陈坚．基于状态观测器的逆变器数字双环控制技术研究[J]．中国电机工程学报,2002,22(9):64-68．

[8]张昌盛,段善旭,康勇．基于电流内环的一种逆变器控制策略研究[J]．电力电子技术,2005,39(3):14-16．

刘会，女，湖北工程学院物理与电子信息工程学院讲师。

Application on RF Power Supply’s double loop control algorithm by simulation

Liu Hui
（Hubei engineering university，Xiaogan 432000，China）

Traditional PID control technology due to its simple algorithm，simple and high reliability could effective control most of industrial objects.The traditional PID control method，due to the tedious parameter setting method，is hard to get the desired effect.Hence，double loop control algorithm is a solution.By the way of simulation，the choose of control parameters are tested and verifed.

inverter；double loop control