改进重复控制技术在逆变器中的应用

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1、改进重复控制技术在逆变器中的应用作者：唐勇奇赵葵银发布时间：2006-8-28 11:22:00摘 要：重复控制是改善非线性负载下输出电压波形的一种有效技术。但在逆变电源中，由于模型的不精确，常规重复控制器设计不适合于电源系统。针对模型的不精确，提出了新型的改进重复PD控制器。首先分析了重复控制器的基本原理，其次给出了改进重复PD控制器设计的具体步骤。该控制运用到一台400 Hz, 5.5kw真的逆变器上, 实验结果表明，该方案可得到稳态时较小的谐波畸变和突变负载时的快速响应。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

2、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

3、）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PD控制改善系统的动态性能。1 逆变器模型分析单相倾血逆变电源的等值电路和框團如團1所示.在逆变器的输出港漩电路中，LQCI 构咸一个40DHE串联谐無电路.死区效应以及逆变器每个韶件上的损耗可以等效齒一个与 誌波电感串匱的小阻尼电阻克由于逆变器吊开关频率远远高于基波频率，逆变器的动歸 性主输出港渡器和砾播的负載-诛计乌实監中用到的逆变电贩的王要技术琴数如 下：直滦输入电压正额定输瞇压=2和V,辅出频率/产倔血代.珈，交需 输出斑率Fq土员氷阳 诲波电感L=0.73mHr诣振电容Cl=215p-F!滤独电

4、容C220Fr 趋波器诣振频率耳=1.371血 开关频率/= 20kHz,丢祥周期T=lD0nf,死区时间tp=3.粧. 逆变器在空戦惜况下的恃谨函敷汩F - JGViW LC2 +RCA5 + C, +C2闺1瞋相逆变底源鼻）逆变湍呼值电跡然而，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2 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

5、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 环反馈，且无须很高的控制精度，结构简单，易于实现。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口。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，重复控制器作给定量的校正器使用。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”结实际上把重复控制器当图

6、2中严r （却 为琴茜信号孑y （zi）为系统输出已為误差信昱 氐为经过补偿后的参着 信兮 d（271）为周期注扰动；艺讯为周期性延时环节，N为一个基波周期内的来样次数；圧 为增益系数，沖为超前补偿环节，It问超前涉檢 对补偿器 （0）和控制附象丘畑叮进 行相愷补偿；Q M为辅助补偿葩p D輝控对彖函埶S （沙湖計对受控对象函 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

7、制器在买际系统中，通常采用经改魁朗重复控制器因为上述的亘接重复控樹怖票对周期世指令 和扰动的系统，具肓减小静差、完全补偿系统相位误差、曷于应用的特点-但倨苻在一些不 斥，主要表现在：不能将系统负載扰动的抑制调节时间貓小到一个基波周期之内，通常 需姜几吓基液周期才可完咸，动态性能较差，河醴强系统稳定性而引入的辅肋补偿開Q 炫】使系统存在一定的静羞-针对这些鏈箔，本文釆用一沖如图3的改逛方案.其中辅肋补偿器Q3 采用底通臆渡器 结构，由于底通遐波話可保证慕波频率处的増益接近h使系统的基波跟踪特性可近以达到 无静荟 那h偿器$）后移到了疑制对彖軌 其目的是消除高额干抗曲髯响，探葛系统 的稳定性并在系

8、統中加入PD控制，改垂落究的和态性能3.1补偿器3为了迅逋有效馳消際误差.控制讓输出的控制量必顾相位推關 幅值恰当*补僂器S怯“ 杲針对控制附象P伝】）而谩计的，其主要作用麻1）将对靈申的低频増益横正肉I或略小于h極kr的调整范圉归一优，2）擂消由控制对象斯产生的蹄峰值，便之不破坏稳定性；3）噌强前向通道的高频衰减+按高稳定和抗扰能力.S Z 与图3中的kr配會，使对象瞬（e1） xp Z 的幅值軒I或略US炫】） 可被设计成2阶层低通常爲波器的册式呂巧=4 好牛唤 a）o它产生的相徒 错后须在厉续控制环节中进行适当朗唯.3.2辅助补辔器Q）重复拽制中的菩藪純积分环节，相当于Q I =1,沟籬

9、免恻环系统囲其失去稳定，实际 Q Z 常常械设计咸略中于I的常皴如。乃或低適臨激器的册式-采用滤波器后，重复控制審斷対陳上周朝的值削滅一走幅度后再作累蛆从而寻致产生静 磊 即茶轨使是以牺牲无算蚩为代价来换取稳定性的提甌3.3相位祿偿妙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1J173-

10、L. 016北一1 十0. 6502盅t3.5 系统参数的确定重复控制器的参数选取很关键，不合适的参数将一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。由于披控对象的握型已经确总 因此可令补偿器=1心（0）.根据经验1T令翅前歩底k=旳赠益系数片=1，稱助补営器Q （曰）旣可取买数，也可取促通羅波函航 若 虑便瑋字化冥现，这堡取买数，同时桶倾稳左性与收皴速度，歸Q51） =0.蘊一个 基波周期內的采稈汝数M=#八茁为養若星波输入频学番匸为载濾頻率）这星 栽波频 率角対畑输人星波频率为河弧，得N=4D（X4 实验结果为验证上述控制器

11、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la所示，控制电路以TMS320F240 DSP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一大电容滤波一电阻负载作为非线性负载。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。fiJWsw.二店s（町果川珥良鮭制器箭枷出旅西-EJE55_s5 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，具有良好的电子管压调节能力。该控制方法具有良好的稳定输出特性和非常 好的鲁棒性。