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1、电气传动2006 年 第 36 卷 第 05 期 改进重复控制技术在逆变器中的应用改进重复控制技术在逆变器中的应用 作者：唐勇奇 赵葵银 随着计算机网络及信息技术的发展，逆变电源 正越来越广泛地应用到国民经济的各个领域。输出 电压谐波含量是衡量逆变电源的一项重要指标，由 于负载的影响，尤其是在非线性负载的作用下，输 出电压的波形差。对逆变器波形控制系统而言，其 指令是按正弦变化的，其扰动（即负载电流）也不 是一个恒值。对线性负载，负载电流呈正弦变化， 而对非线性负载， 负载电流则呈非正弦变化。 因此， 如何降低逆变电源带非线性负载时的波形失真，提 高电源品质，是当前逆变电源研究的一个热点。 现
2、有许多解决方案试图通过提高系统的响应速 度，来抑制负载的扰动、改善输出波形。例如，无 差拍控制、多环反馈技术、模糊控制等，都取得了 一定的效果。但这些控制方法对控制速度要求较 高，且需检测多个变量，硬件成本高，故难于在实 际产品中大量应用。 本文提出一种改进的重复控制与 PD（比例微 分）控制相结合的控制方案，利用重复控制器来跟 踪周期性参考指令信号，减小输出电压谐波，同时 利用 P 控制改善系统的动态性能。 1 逆变器模型分析逆变器模型分析 单相 400Hz逆变电源的等值电路和框图如图 1 所示。在逆变器的输出滤波电路中，L和C1 构成一 个 400Hz串联谐振电路。死区效应以及逆变器每个
3、部件上的损耗可以等效为一个与滤波电感串联的 小阻尼电阻R。由于逆变器的开关频率远远高于基 波频率，逆变器的动态特性主要取决于输出滤波器 和所接的负载。设计与实验中用到的逆变电源的主 要技术参数如下:直流输入电压E=400V，额定输出 电压Vo=230V，输出频率fo=400Hz0.5%，交流输 出功率Po=5.5kW，滤波电感L=0.73mH，谐振电容 C1=215F，滤波电容C2=20F，滤波器谐振频率fr =1.37kHz，开关频率f =20kHz，采样周期T= 100s， 死区时间tD=3.6s。 逆变器在空载情况下的传递函数为 21212 2112 )()(CCsCRCsCLCC sV
4、VsPic +=(1) 然而， 通过理论分析来求阻尼电阻R的值很困 难。DSP可以很方便地改变输出频率，进而拟合逆变器的幅频特性。可以通过该方法拟合求得逆变器 的传递函数，确定阻尼电阻R的值。 再将逆变电源的技术参数代入式（1），并离 散化后，可以得到其离散传递函数为 2121 1 9059. 02353. 113016. 03120. 0)( +=zzzzzP (2) 图1 单相逆变电源 2 重复控制的基本原理重复控制的基本原理 重复控制技术是利用负载扰动的周期性规律， “记忆”扰动发生的位置，有针对性地逐步修正，改 善输出波形，在稳态条件下得到很好的输出波形， 而且控制器仅需要一个电压环反
5、馈，且无须很高的 控制精度，结构简单，易于实现。 图2 离散重复控制系统原理框图 重复控制思想是源于控制理论的内模原理，能 消除所有包含在稳定闭环内的周期性误差的一种 控制方案。在随动系统中，若产生参考信号的“模 型”被包含在稳定的闭环系统内，那么该系统的输 出就能够无静差地跟踪参考输入信号。图2虚线内 为重复控制器，当误差e周期性重复出现时，重复 控制器的输出逐周期累加；当e为0时，重复控制 器的输出并不消失，只是停止变化，维持上次的波 形，并且周期性的输出此波形。在实际系统中，重 复控制器一般直接嵌入常规控制环路内，“嵌入式”第 1 页 共 3 页 改进重复控制技术在逆变器中的应用 结构实
6、际上把重复控制器当作给定量的校正器使 用。 图2中，r（z -1）为参考信号；y（z1）为系统输出；e为误差信号；rc为经过补偿后的参考信号； d（z -1）为周期性扰动；z-N为周期性延时环节；N为一个基波周期内的采样次数；kr为增益系数；Zk为 超前补偿环节，k为超前步长，对补偿器S（z -1）和 控制对象P（z -1）进行相位补偿；Q（z -1）为辅助 补偿器；P（z -1）为受控对象函数；S（z -1）为针对受控对象函数的补偿器。 重复控制器可以看作以周期为步长的纯积分 环节。在重复控制系统的实现过程中，必须产生周 期性的控制信号，用以消除周期性参考输入或扰动 引起的周期性误差。 文献
7、3中详细分析了重复控制 对输出波形的校正效果和校正措施，证明了重复控 制是一种有效的波形补偿方法。 3 改进的重复控制器改进的重复控制器 在实际系统中，通常采用经改进的重复控制 器。因为上述的直接重复控制方案对周期性指令和 扰动的系统，具有减小静差、完全补偿系统相位误 差、易于应用的特点。但仍存在一些不足，主要表 现在：不能将系统对负载扰动的抑制调节时间缩 小到一个基波周期之内，通常需要几个基波周期才 可完成，动态性能较差；为增强系统稳定性而引 入的辅助补偿器Q（z -1）使系统存在一定的静差。 针对这些缺陷，本文采用一种如图3的改进方 案。其中辅助补偿器Q（z-1）采用低通滤波器结构， 由于
8、低通滤波器可保证基波频率处的增益接近1， 使系统的基波跟踪特性可近似达到无静差。将补偿 器S（z-1）后移到了控制对象前，其目的是消除高 频干扰的影响，提高系统的稳定性。并在系统中加 入PD控制，改善系统的动态性能。 图3 重复控制和PD控制相结合的控制方案 3.1 补偿器补偿器S（z -1） 为了迅速有效地消除误差，控制器输出的控制 量必须相位准确，幅值恰当。补偿器S（z -1）是针 对控制对象P（z -1）而设计的，其主要作用为: 1）将对象中的低频增益校正为1或略小于1， 使kr 的调整范围归一化； 2）抵消由控制对象所产生的谐振峰值，使之 不破坏稳定性； 3）增强前向通道的高频衰减，提
9、高稳定和抗 扰能力。 （z -1） 与图3中的kr配合， 使对象krS（z -1）P （z -1）的幅值等于1或略小于1。S（z -1）可被设 计 成2阶 低 通 滤 波 器 的 形 式S（z -1）=2/ （s2+2s+2）。它产生的相位滞后须在后续控制 环节中进行适当的补偿。 3.2 辅助补偿器辅助补偿器Q（z-1） 重复控制中的等效纯积分环节， 相当于Q（z -1） =1，为避免闭环系统因其失去稳定，实际Q（z -1） 常常被设计成略小于1的常数如0.95或低通滤波器 的形式。 采用滤波器后，重复控制器每次都将上周期的 值削减一定幅度后再作累加，从而导致产生静差， 即系统是以牺牲无静差为
10、代价来换取稳定性的提 高。 3.3 相位补偿相位补偿Zk 由于假定指令和扰动都是周期重复性的，所以 本来很难实现的“超前”控制可以延迟至下一周期的 适当时刻来获得“超前”性。例如在本周期将控制量 延迟（K-8）拍，等效于在下一周期提前8拍实施。 3.4 PD 控制器控制器 数字PD控制由于算法简单、易于设计、成本 低廉、鲁棒性好，已被广泛应用于许多工业控制系 统。 取1.72kHz控制环带宽和60的相角裕度。数 字PD控制器可被设计成 11 1 6502. 010167. 11173. 1)( +=zzzDPD (3) 3.5 系统参数的确定系统参数的确定 重复控制器的参数选取很关键，不合适的
11、参数 将导致系统输出波形质量不理想，甚至输出不稳 定。只有选取合适的参数，才能保证重复控制器起 到真正意义上的控制效果。 由于被控对象的模型已经确定，因此可令补偿 器S（z -1）=1/ P（z -1）。根据经验值，令超前步长 k=6，增益系数kr =1，辅助补偿器Q（z -1）既可取实数， 也可取低通滤波函数， 考虑便于数字化实现，第 2 页 共 3 页 改进重复控制技术在逆变器中的应用 这里取实数，同时为兼顾稳定性与收敛速度，取Q （z -1）=0.95，一个基波周期内的采样次数N=f c / f （f为参考基波输入频率，fc为载波频率）。这里， 载波频率为20kHz，输入基波频率为50H
12、z，得 N=400。 4 实验结果实验结果 为验证上述控制器的效果， 制作了一台400Hz， 5.5kW的样机。实验装置的逆变器主电路如图1a 所示，控制电路以TMS320F240DSP为核心实现上 述的控制方案，实验参数按前面给出的技术参数， 以最常用的整流桥输入大电容滤波电阻负载 作为非线性负载。 图5 实验波形 图4示出了实验波形，由图4a、图4b可以看 出，在无重复控制器（采用SPWM控制）时，输 出波形出现严重的平顶现象；而采用重复控制方案 后，输出波形有了明显的改善，电压输出的正弦度 较好。采用动态信号分析仪（型号为HEWLET-TP ACKARD 35670A）观察两种不同情况下
13、的输出电 压总谐波失真THD值，得到未加重复控制器前的 THD=3.059%， 加 入 了 重 复 控 制 器 后 的 THD=0.754%，可见，重复控制对抑制谐波失真的 效果十分明显。图4c、图4d为突加、突减负载时 的输出波形，波形的稳定性好，响应快速。 5 结论结论 重复控制是解决为整流负载供电时波形畸变 较大的有效手段，可以有效抑制逆变器系统的重复 性扰动，使系统输出稳态精度高。实验证明，采用 改进的重复控制技术的逆变电源对输出电压的谐 波失真有较好的抑制效果，即使负载为非线性负载 时输出波形也有很好的质量，具有良好的电压调节 能力。该控制方法具有良好的稳定输出特性和非常 好的鲁棒性。 第 3 页 共 3 页
