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基于雙環(huán)控制和重復(fù)控制的逆變器研究
摘要：研究了一種基于雙環(huán)控制和重復(fù)控制的逆變器控制技術(shù)，該方案在電流環(huán)和瞬時(shí)電壓環(huán)之外附加了一個(gè)重復(fù)控制環(huán)。在實(shí)現(xiàn)輸出電壓解耦和擾動(dòng)電流補(bǔ)償后，根據(jù)無差拍原理設(shè)計(jì)的雙環(huán)控制器使逆變器達(dá)到了很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；位于外層的重復(fù)控制器則提高了穩(wěn)態(tài)精度。該方案在一臺(tái)基于DSPTMS320F240控制系統(tǒng)的PWM逆變器上得到驗(yàn)證。引言
隨著閉環(huán)調(diào)節(jié)PWM逆變器在中小功率場(chǎng)合中的大量使用，對(duì)其輸出電壓波形的要求也越來越高。高質(zhì)量的輸出波形不僅要求穩(wěn)態(tài)精度高而且要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
傳統(tǒng)的單閉環(huán)系統(tǒng)無法充分利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息，因此，將輸出反饋改為狀態(tài)反饋，在狀態(tài)空間上通過合理選擇反饋增益矩陣來改變逆變器一對(duì)太接近s域虛軸的極點(diǎn)，增加其阻尼，能達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)效果[1]。單閉環(huán)在抵抗負(fù)載擾動(dòng)方面與直流電機(jī)類似，只有當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)的影響最終在輸出端表現(xiàn)出來以后，才能出現(xiàn)相應(yīng)的誤差信號(hào)激勵(lì)調(diào)節(jié)器，增設(shè)一個(gè)電流環(huán)限制啟動(dòng)電流和構(gòu)成電流隨動(dòng)系統(tǒng)也可以大大加快抵御擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程[2]。瞬時(shí)值反饋采取提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法消除跟蹤誤差，但靜態(tài)特性不佳，而基于周期的控制是通過對(duì)誤差的周期性補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差的效果，它主要分為重復(fù)控制[3]和諧波反饋控制[4]。
本文提出了一種基于雙環(huán)控制和重復(fù)控制的逆變器控制方案，兼顧逆變器動(dòng)靜態(tài)效應(yīng)，另外使用狀態(tài)觀測(cè)器提高數(shù)字控制系統(tǒng)性能。
1 逆變器數(shù)學(xué)模型
單相半橋逆變器如圖1所示，L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，負(fù)載任意，r是輸出電感等效電阻和死區(qū)等各種阻尼因素的綜和。U是逆變橋輸出的PWM電壓。
選擇電感電流iL和電容電壓vc作為狀態(tài)變量，id看作擾動(dòng)輸入，得到半橋逆變器的連續(xù)狀態(tài)平均空間模型為
根據(jù)式(1)，很容易得到逆變器在頻域下的方框圖，如圖2所示。PWM逆變器的動(dòng)態(tài)模型和直流電機(jī)相似，轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在這里也適用。本文借鑒直流電機(jī)雙環(huán)控制技術(shù)，并改造成為多環(huán)控制系統(tǒng)，在逆變器波形控制上取得了很好的效果。
2 控制方案分析
本控制方案包括雙環(huán)控制系統(tǒng)和位居外層的重復(fù)控制系統(tǒng)。在瞬時(shí)波形控制場(chǎng)合，控制算法的執(zhí)行時(shí)間和A/D轉(zhuǎn)換延時(shí)相對(duì)于采樣周期通常不可忽略，有必要采用狀態(tài)觀測(cè)器，利用其預(yù)測(cè)功能將控制算法提前一拍進(jìn)行。本方案采用無差拍觀測(cè)器對(duì)輸出電壓和電感電流進(jìn)行預(yù)測(cè)。
2．1 雙環(huán)控制
雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，Z（s）是未知的負(fù)載。需要檢測(cè)和反饋的信號(hào)有三個(gè)，即電感電流iL，輸出電壓vc，負(fù)載電流id。電感電流檢測(cè)為電流環(huán)而設(shè)。與直流電機(jī)相似，檢測(cè)輸出電壓不僅用于電壓瞬時(shí)波形控制而且實(shí)現(xiàn)輸出電壓解耦，消除輸出電壓對(duì)電流環(huán)的擾動(dòng)，減輕電流環(huán)控制器的負(fù)擔(dān)。同樣，負(fù)載電流對(duì)瞬時(shí)電壓環(huán)來說也是一個(gè)外部擾動(dòng)，補(bǔ)償負(fù)載電流能有效抑制其對(duì)輸出波形的影響，提高穩(wěn)態(tài)精度。正是由于對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行了補(bǔ)償，電流環(huán)無須對(duì)負(fù)載電流的擾動(dòng)進(jìn)行抑制，所以，本方案沒有反饋電容電流，而將擾動(dòng)包含在反饋環(huán)路的前向通道內(nèi)。若采用電容電流反饋，要得到良好的擾動(dòng)抑制效果，必將導(dǎo)致電流環(huán)的增益過大。這不僅對(duì)穩(wěn)定性不利，而且造成超調(diào)增大，電流跟蹤的快速性受影響。
模擬控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)離虛軸越遠(yuǎn)則動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，但無法將其配置到s平面的負(fù)無窮處，而s平面的負(fù)無窮被映射到z平面原點(diǎn)，若將數(shù)字控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)全部配置到平面原點(diǎn)，則可以達(dá)到極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，這就是所謂的無差拍技術(shù)。
由于本方案實(shí)現(xiàn)了輸出電壓解耦和負(fù)載電流補(bǔ)償，電流環(huán)和電壓環(huán)的結(jié)構(gòu)大大簡化，控制器的設(shè)計(jì)可以簡單到僅僅采用P環(huán)節(jié)。這里采用無差拍原理確定電流環(huán)控制器KC和瞬時(shí)電壓環(huán)控制器KV。
2.1.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)
圖4(a)所示為電流環(huán)框圖，為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓交叉反饋解耦，控制算法由式（2）給出。
vcom(k)=KC〔iL＊(k)－iL(k)〕＋vc(k) （2）
式中：iL＊是電感電流指令；
vcom是電流環(huán)計(jì)算出的控制量。
圖4(b)是解耦后簡化的電流環(huán)框圖，ZOH是零
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