郭金庫(kù), 趙 彬, 李 巖,劉克平
(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130012)
?
基于dsPIC30F4011的逆變電源復(fù)合控制
郭金庫(kù),趙彬,李巖,劉克平*
(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春130012)
將重復(fù)控制和雙閉環(huán)控制相結(jié)合應(yīng)用于單相逆變電源系統(tǒng),建立了仿真模型,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4011實(shí)現(xiàn)了該復(fù)合控制方法。
逆變電源; 重復(fù)控制; 復(fù)合控制
逆變電源的控制方法影響其輸出電能的品質(zhì),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要結(jié)合優(yōu)良的控制方法才能輸出高質(zhì)量的電能,逆變電源的控制方法是近年來的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。第三代逆變電源采用實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù),目前,比較常用的實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)主要有雙閉環(huán)控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制等[3]。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)的應(yīng)用,使逆變電源的性能得到大幅度的提升。隨著用戶對(duì)逆變電源性能要求的提高,單一的控制方法難以同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩方面的要求,將控制方法結(jié)合在一起,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),構(gòu)成復(fù)合控制器是一種趨勢(shì)所在。文中分析了雙閉環(huán)控制和重復(fù)控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出一種將兩種控制方法相結(jié)合的復(fù)合控制方法,通過Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明,與單一的控制方法相比,復(fù)合控制方法能夠改善逆變電源系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì),具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。
1.1重復(fù)控制方法研究
重復(fù)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(a) 重復(fù)信號(hào)發(fā)生器 (b) 改進(jìn)型重復(fù)發(fā)生器
圖1重復(fù)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖
圖1(a)為重復(fù)信號(hào)發(fā)生器,相當(dāng)于以給定信號(hào)周期為步長(zhǎng)的積分環(huán)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)跟蹤給定信號(hào),但對(duì)系統(tǒng)的魯棒性極為不利。這種結(jié)構(gòu)帶來了單位圓上的開環(huán)極點(diǎn),開環(huán)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。這種情況在實(shí)際工程應(yīng)用中是不允許的,因此需要將這種結(jié)構(gòu)加以改進(jìn),改進(jìn)后重復(fù)信號(hào)發(fā)生器見圖1(b),在反饋回路加入輔助補(bǔ)償器Q(z),加入Q(z)后單位圓上的開環(huán)極點(diǎn)發(fā)生偏移,有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。由圖1(b)可得:
(1)
(2)
由式(2)可知,k時(shí)刻系統(tǒng)的輸出等于(k-N)時(shí)刻輸出的0.98倍與k時(shí)刻偏差的和。當(dāng)輸入量減小為輸出量的2%時(shí),累加過程相當(dāng)于不再繼續(xù)。通過加入輔助補(bǔ)償器,系統(tǒng)的穩(wěn)定性能得到了提高,但卻犧牲了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)際中使用的均是改進(jìn)型重復(fù)信號(hào)發(fā)生器見圖1(b)。在此基礎(chǔ)上添加周期延時(shí)環(huán)節(jié)Z-N、補(bǔ)償器C(z)就構(gòu)成了一個(gè)完整的重復(fù)控制器。重復(fù)控制器相當(dāng)于在原有穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上嵌入重復(fù)控制器,這種控制結(jié)構(gòu)可稱為“嵌入式”結(jié)構(gòu)。嵌入式重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2嵌入式重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖中:r——參考輸入;
y——系統(tǒng)輸出電壓;
d——擾動(dòng)信號(hào);
P(z)——控制對(duì)象;
Z-N——周期延時(shí)環(huán)節(jié),串聯(lián)在前向通道,實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作延遲,實(shí)現(xiàn)本周期的檢測(cè)信號(hào)直至下一個(gè)周期影響控制量。
對(duì)于重復(fù)控制器,當(dāng)系統(tǒng)存在偏差時(shí),重復(fù)控制器產(chǎn)生的相應(yīng)的控制量至少要延遲一個(gè)周期[4],所以采用重復(fù)控制方法,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差。
1.2雙閉環(huán)控制方法研究
雙閉環(huán)反饋分為電感電流雙閉環(huán)反饋和電容電流雙閉環(huán)反饋[5],電感電流雙閉環(huán)反饋中電流反饋量為流經(jīng)電感的電流,電容電流反饋中電流的反饋量則為濾波電容電流,雙閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
(a) 電感電流雙閉環(huán)反饋
(b) 電容電流雙閉環(huán)反饋
圖中:uref——參考輸入;
Kv——電壓調(diào)節(jié)增益;
Ki——電流調(diào)節(jié)增益;
Z——負(fù)載。
由圖3可以看出,參考輸入電壓與反饋電壓信號(hào)做差得到偏差信號(hào),經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器作用,作為電流環(huán)的輸入,同反饋的電流信號(hào)作比較后,經(jīng)過電流環(huán)調(diào)節(jié)器的作用輸出相應(yīng)的控制量。雙閉環(huán)反饋控制采用電壓作為外環(huán)反饋,電流為內(nèi)環(huán)反饋,具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),但穩(wěn)態(tài)精度不高[6]。
通過對(duì)重復(fù)控制方法和雙閉環(huán)控制方法的研究可知,二者各有優(yōu)勢(shì),同時(shí)又各有不足之處,考慮到動(dòng)、靜態(tài)性能對(duì)系統(tǒng)的重要性,文中將重復(fù)控制器與雙閉環(huán)控制器相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制器。采用復(fù)合控制,當(dāng)存在偏差時(shí),可以通過重復(fù)控制器逐周期的消除偏差,從而較好地跟蹤給定信號(hào),同時(shí)通過雙閉環(huán)控制器加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。重復(fù)控制提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,雙閉環(huán)控制改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,二者發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),有效提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。
復(fù)合控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。
圖4復(fù)合控制系統(tǒng)框圖
圖中:r——參考輸入;
M——重復(fù)控制器的內(nèi)模,M=Q(Z)Z-N+L,Q(Z)通常選取為略小于1的正常數(shù),以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
用Kr來調(diào)整校正信號(hào)的幅值,超前環(huán)節(jié)Zk用來補(bǔ)償濾波器S(Z)和控制對(duì)象P(Z)的總相位滯后,N為一個(gè)基波周期的采樣次數(shù),L=PdN/360,Q(Z)的相位滯后為Pd,文中取Q(Z)=0.95。補(bǔ)償器C(Z)影響重復(fù)控制器控制效果,其作用是對(duì)P(Z)進(jìn)行相位和幅值補(bǔ)償。C(Z)=KrZkS(Z),重復(fù)控制器增益Kr用來調(diào)整相應(yīng)控制量的幅值。超前環(huán)節(jié)Zk用來補(bǔ)償系統(tǒng)的相位滯后θ,k=θN/360。濾波器S(Z)抵消諧振峰值,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。零相移濾波器可以對(duì)固定頻率有很強(qiáng)的衰減[7],文中將二階濾波器和零相移濾波器相結(jié)合作為S(Z)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)雙閉環(huán)控制器中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使控制效果最優(yōu)。
系統(tǒng)閉環(huán)仿真模型如圖5所示。
圖5系統(tǒng)閉環(huán)仿真模型
逆變橋的輸出首先經(jīng)過升壓變壓器、經(jīng)LC濾波器濾波后輸出。檢測(cè)到的電壓值與給定參考進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差,經(jīng)過復(fù)合控制器輸出相應(yīng)的控制量,調(diào)整由數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4011產(chǎn)生的PWM波形占空比,進(jìn)而控制逆變橋中MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,使輸出電壓波形較好的跟蹤給定參考。文中雙閉環(huán)控制中,內(nèi)環(huán)、外環(huán)只采用了比例調(diào)節(jié)器,因?yàn)榧尤敕e分調(diào)節(jié)器會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生相位滯后,增加系統(tǒng)控制難度,加入微分環(huán)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)的干擾信號(hào)增大,影響控制效果[8]。
系統(tǒng)復(fù)合控制器框圖如圖6所示。
圖6復(fù)合控制器框圖
系統(tǒng)檢測(cè)到的電壓值與給定參考電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差信號(hào),經(jīng)過復(fù)合控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),有效地抑制偏差,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跟蹤給定參考。檢測(cè)到的電流值與電壓環(huán)的輸出值比較,增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力及負(fù)載突變時(shí)的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)存在偏差時(shí),通過雙閉環(huán)控制器使系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),通過重復(fù)控制器逐周期的消除偏差,較好地跟蹤給定信號(hào),系統(tǒng)采用復(fù)合控制方法時(shí)有更好的動(dòng)靜態(tài)性能。
仿真參數(shù)如下:直流母線電壓為24V;額定輸出電壓為交流220V;額定輸出電壓頻率為50Hz;濾波電感、電容分別為L(zhǎng)=1mH,C=40μF,濾波電感等效串聯(lián)電阻為0.1Ω,濾波電容等效串聯(lián)電阻為0.01Ω;仿真時(shí)間0.1s。系統(tǒng)仿真波形如圖7所示。
(a) 雙閉環(huán)控制仿真波形(kv=2,ki=2) (b) 雙閉環(huán)控制仿真波形(kv=6,ki=4)
(c) 重復(fù)控制空載仿真波形 (d) 重復(fù)控制帶載仿真波形
(e) 復(fù)合控制帶載仿真波形 (f) 復(fù)合控制突加負(fù)載仿真波形
圖中:U0——輸出電壓;
Uref——參考電壓;
I0——輸出電流。
系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方法時(shí),從圖7(a)中可以看出,當(dāng)kv=2,ki=2時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較大。進(jìn)一步對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,取得最優(yōu)參數(shù)kv=6,ki=4,仿真波形見圖7(b),與圖7(a)相比較,雖然系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小,但穩(wěn)態(tài)效果仍不理想。如繼續(xù)增大kv或者ki,系統(tǒng)將會(huì)振蕩。
系統(tǒng)采用重復(fù)控制方法時(shí),輸出波形見圖7(c)、(d)。從圖中可以看出,在重復(fù)控制器的作用下,從第一個(gè)周期開始,逐周期的減小偏差,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,穩(wěn)態(tài)誤差較小。
系統(tǒng)采用復(fù)合控制方法時(shí),輸出波形見圖7(e)、(f)。當(dāng)存在偏差時(shí),可以通過復(fù)合控制器逐周期地消除偏差,動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,能夠較好地跟蹤給定信號(hào)。系統(tǒng)采用復(fù)合控制方法有更好的動(dòng)靜態(tài)效果。
采用單相全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了逆變電源系統(tǒng)。其中包括功率開關(guān)管、起到保護(hù)功率開關(guān)作用的二極管、起到續(xù)流作用的二極管以及功率開關(guān)管的輸入電阻等外圍配置元件,其主體電路圖如圖8所示。
圖8逆變器主電路
圖8為文中設(shè)計(jì)的逆變電源系統(tǒng)主電路,直流母線電壓為24V,圖中H1、L1、H2、L2分別代表第一片及第二片驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的高端輸出及低端輸出。核心控制器dsPIC30F4011檢測(cè)輸出電壓值,并根據(jù)復(fù)合控制方法產(chǎn)生相應(yīng)的控制量,進(jìn)而由PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)脈寬的PWM信號(hào),經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片控制兩組橋臂交替導(dǎo)通及每組橋臂中MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間,使輸出為穩(wěn)定的電壓波形。功率開關(guān)管選擇為MOS管IRF3205,其能夠承受電壓最大為55V,允許通過的最大電流為110A,每一組橋臂均由10個(gè)MOS管組成,5個(gè)并聯(lián)在一起作為一個(gè)整體,起到分流作用。與IRF3205反并聯(lián)的二極管選擇為IN4007,其反向耐壓值可達(dá)700V,滿足文中要求。與柵極輸入電阻相連的二極管選擇為IN4007,主要起到續(xù)流的作用,確保MOS管有效的關(guān)斷,避免直通現(xiàn)象發(fā)生。在理論分析和仿真分析基礎(chǔ)上,以數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4011作為核心,實(shí)現(xiàn)復(fù)合控制方法,應(yīng)用于單項(xiàng)全橋逆變電源系統(tǒng),系統(tǒng)輸出電壓波形如圖9和圖10所示。
圖9空載時(shí)系統(tǒng)輸出
圖10 帶載時(shí)系統(tǒng)輸出
圖9和圖10分別為濾波后的空載輸出電壓波形和濾波后的帶阻性負(fù)載電壓波形。從圖中可以看出,在空載和帶載的情況下,輸出電壓波形較好,輸出電壓無明顯變化,系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率比較好,有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。
重點(diǎn)研究逆變電源的復(fù)合控制方案,分析了重復(fù)控制方法和雙閉環(huán)控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),將二者相結(jié)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),構(gòu)成復(fù)合控制方法。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4011將復(fù)合控制方法應(yīng)用于逆變電源系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合控制方法結(jié)合了雙閉環(huán)控制方法和重復(fù)控制方法的優(yōu)點(diǎn),有效地改善了逆變電源系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)精度高。復(fù)合控制方法是一種優(yōu)良的控制方法,具有廣泛的應(yīng)用前景。
[1]李勇,王國(guó)富,高東東.新型單相逆變電源及其控制算法的研究[J].電力電子技術(shù),2013,47(10):90-92.
[2]楊照輝,陳紅娟.基于SPWM模塊化逆變電源的研究及設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2014,38(7):1349-1351.
[3]沈蘭蘭,李海標(biāo),秦澤熙.基于SPWM的逆變技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(8):58-61.
[4]侯磊.以新型單片機(jī)為核心的正弦逆變電源設(shè)計(jì)[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2013.
[5]TsaiMiching,YaoWusung.Designofaplug-intyperepetitivecontrollerforperiodicinputs[J].IEEETransonControlSystemsTechnology,2002,10(4):547-555.
[6]鄒麗爽.逆變器數(shù)控算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2009.
[7]梁美麗.基于SPWM技術(shù)的獨(dú)立逆變電源技術(shù)設(shè)計(jì)[J].電子制作,2013(20):14-15.
[8]楊冬冬.基于DSP的逆變電源數(shù)字控制技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),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
吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助(20140204026GX)
郭金庫(kù) (1990-),男,漢族,吉林德惠人,長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事智能控制方向研究,E-mail:1057191467@qq.com. *通訊作者:劉克平(1971-),男,漢族,吉林汪清人,長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授,博士,主要從事復(fù)雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化與控制方向研究,E-mail:liukeping@ccut.edu.cn.
10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.4.12
TM773
A
1674-1374(2016)04-0372-07