基于極點(diǎn)配置的逆變電源重復(fù)控制器設(shè)計(jì)

丁海波 楊艷 劉鵬

摘 要：為改善逆變器動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能，文章設(shè)計(jì)了極點(diǎn)配置和重復(fù)控制串聯(lián)的控制器方案?？刂葡到y(tǒng)引入狀態(tài)反饋和極點(diǎn)配置，采用重復(fù)控制器進(jìn)行電壓修正和補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)提高了逆變器動(dòng)態(tài)性能且能夠獲得更高精度的穩(wěn)態(tài)輸出波形。

關(guān)鍵詞：逆變器；重復(fù)控制；極點(diǎn)配置

引言

由于逆變器狀態(tài)變量變化快且動(dòng)態(tài)特性差，尋找一種既能保證穩(wěn)態(tài)精度和快速實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)控制方案比較困難[1]。將瞬時(shí)值控制結(jié)合重復(fù)控制，瞬時(shí)值控制主要用于改善逆變器動(dòng)態(tài)特性；重復(fù)控制則專門用于獲得穩(wěn)態(tài)輸出。二者的結(jié)合和補(bǔ)充大大簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)，且全面提升了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。

1 逆變器重復(fù)控制策略

重復(fù)控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中y為逆變器電壓輸出，r為參考正弦輸入，d為等效的周期性干擾信號(hào)，e為誤差信號(hào)，z-N為周期延遲環(huán)節(jié)，N為采樣次數(shù)，P（z）為控制對(duì)象，C（z）為補(bǔ)償器，其中陰影表示重復(fù)信號(hào)發(fā)生器的內(nèi)模[2]。

圖1 重復(fù)控制系統(tǒng)的示意圖

控制對(duì)象是單相半橋逆變器。由于輸出基波頻率和濾波器的截至頻率遠(yuǎn)小于逆變器的開關(guān)頻率，故逆變器的動(dòng)態(tài)特性基本取決于輸出濾波器[3]。實(shí)驗(yàn)裝置單相半橋逆變電源構(gòu)成如下：直流輸入電壓250V；濾波電容20uF；濾波電感1.1mH；采樣頻率10KHz；開關(guān)頻率10KHz；死區(qū)時(shí)間2微秒；交流電壓輸出峰值100V，輸出電壓基波頻率為50Hz。連續(xù)域逆變器傳遞函數(shù)為[4]：

在10kHz采樣頻率下將（1）用零階保持器法離散

因此可知一個(gè)周期采樣的次數(shù)N=200，Q（z）取0.95，故周期延遲環(huán)節(jié)z-N=z-200。

2 重復(fù)控制與極點(diǎn)配置相結(jié)合控制

逆變電源動(dòng)態(tài)特性較差，是由于逆變器自身的阻尼較弱，即其兩個(gè)極點(diǎn)太接近s域的虛軸或z域的單位圓[5]。而為增加逆變器的阻尼可以引入狀態(tài)反饋，進(jìn)行極點(diǎn)配置。僅通過狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置達(dá)到較高的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)相對(duì)困難，增加重復(fù)控制可以解決此問題[6]。

首先配置狀態(tài)反饋極點(diǎn)來改造逆變器的極點(diǎn)，改善其在指令跟蹤和負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[7]；之后重復(fù)控制器采樣計(jì)算極點(diǎn)配置控制系統(tǒng)的電壓偏差值，據(jù)此漸次調(diào)整后者的電壓信號(hào)提高基波幅值的輸出精度和補(bǔ)償波形畸變[8]。

極點(diǎn)配置串連重復(fù)控制，而前者改變了開環(huán)逆變器的頻率特性，因此要重新設(shè)計(jì)重復(fù)控制。消除了諧振峰簡(jiǎn)化了補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，并可不使用陷波濾波器，而高頻衰減和中低頻對(duì)消的任務(wù)僅用一個(gè)二階濾波器就可以完成，設(shè)計(jì)選用

由于逆變器阻尼增加消除了加載過程的振蕩，特別是通過瞬時(shí)值反饋補(bǔ)償波形，進(jìn)而重復(fù)控制器的處理負(fù)擔(dān)被減輕了，波形在加載后第三個(gè)基波周期時(shí)就可恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用改進(jìn)后的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖2所示。逆變電源的動(dòng)、靜態(tài)性能被有效的改進(jìn)，基本達(dá)到與狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置+重復(fù)控制一樣的效果。

如圖2所示，由于引入了電壓微分反饋補(bǔ)償器，其改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使得突加負(fù)載的振蕩過程消失，從而大大減輕了重復(fù)控制器的負(fù)擔(dān)，因此逆變器調(diào)節(jié)的時(shí)間比僅用重復(fù)控制的設(shè)計(jì)要少，輸出波形在第三個(gè)基波周期即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)。極點(diǎn)配置方案系統(tǒng)由于將負(fù)載擾動(dòng)包含在狀態(tài)反饋回路當(dāng)中，因此對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)有好于微分反饋方案的效果。

4 結(jié)束語

重復(fù)控制會(huì)對(duì)擾動(dòng)的抑制滯后一個(gè)基波周期，一些要求比較苛刻的負(fù)載來說是不能接受的。瞬時(shí)值反饋控制的方法具有較好的動(dòng)態(tài)性能，由重復(fù)控制器來控制穩(wěn)態(tài)波形，從而實(shí)現(xiàn)較好動(dòng)靜態(tài)性能的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該控制器設(shè)計(jì)方案不但能夠?qū)?dòng)態(tài)性能進(jìn)行改善，也明顯提高了穩(wěn)態(tài)波形的質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：丁海波（1978-），男，籍貫：吉林四平，學(xué)歷：碩士，現(xiàn)職稱：工程師，研究方向：大型醫(yī)療器械逆變電源設(shè)計(jì)。