一種自適應(yīng)逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)的逆變電源在各種類(lèi)型的交流供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如：不間斷電源(UPS)，電壓調(diào)節(jié)器(AVR)，可編程交流電源(PAS)等。在這些系統(tǒng)中，要求能在瞬時(shí)或周期性的負(fù)載變動(dòng)下，輸出低諧波含量的波形。許多研究方案利用瞬時(shí)反饋控制技術(shù)，如：瞬時(shí)電壓電流跟蹤法、無(wú)差拍控制法、狀態(tài)反饋控制法，獲得了較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是這類(lèi)方法只能使系統(tǒng)對(duì)于瞬時(shí)的負(fù)載變化有較好的調(diào)節(jié)能力，而對(duì)周期性的負(fù)載變動(dòng)所產(chǎn)生的周期性諧波抑制能力則很差。因此，這類(lèi)系統(tǒng)對(duì)于非線性負(fù)載，如整流性負(fù)載，其輸出總諧波含量仍然很高。另外，上述幾種瞬時(shí)反饋控制的方法，從自身控制原理上講仍存在不足之處，也妨礙了它們的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。其中，瞬時(shí)電壓電流跟蹤法，即所謂兩態(tài)(或三態(tài))滯環(huán)控制(Delta- PWM)，電路的開(kāi)關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開(kāi)關(guān)頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機(jī)分布，輸出頻譜的分析較為困難，也不利于輸出濾波器的設(shè)計(jì)。狀態(tài)反饋控制的設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，并要求狀態(tài)反饋增益進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以增加系統(tǒng)的魯棒性，而這兩方面的誤差都可能很大，從而降低了系統(tǒng)的性能。至于無(wú)差拍控制，由于其原理是基于電路計(jì)算的方法，因而對(duì)電路中元件參數(shù)的變化非常敏感，這對(duì)于負(fù)載經(jīng)常變動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合更不適用。雖然有的文獻(xiàn)也提出了改進(jìn)的方案，如添加負(fù)載參數(shù)辨識(shí)器，但效果仍然不理想。
PWM逆變電源性能的好壞最終取決于控制策略的優(yōu)劣。自適應(yīng)控制作為一種現(xiàn)代控制的方法，適用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知，或者運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化的情況，這無(wú)疑為解決逆變電源因負(fù)載變化而產(chǎn)生波形畸變的問(wèn)題提供了一條思路。筆者正在基于DSP和單片機(jī)196的硬件基礎(chǔ)上對(duì)該種自適應(yīng)逆變電源進(jìn)行深入的研究，它能自動(dòng)地消除由于未知的負(fù)載周期性擾動(dòng)所產(chǎn)生的交流周期畸變，大大提高了電源的品質(zhì)。
2工作原理
見(jiàn)圖1，在該系統(tǒng)中，將逆變橋、LC濾波器及整流性RC負(fù)載的整體作為系統(tǒng)的控制對(duì)象。其中，Ud
圖1自適應(yīng)PWM逆變電源硬件結(jié)構(gòu)圖
為直流電源電壓，g1，g2，g3，g4為功率管開(kāi)關(guān)信號(hào)，U1，U2分別為電流、電壓反饋信號(hào)。該自適應(yīng)控制方案由圖2表示。
其中：r(k)—參考信號(hào);
y(k)—系統(tǒng)輸出;
e(k)—誤差信號(hào);
Q(z-1)、S(k，z-1)—輔助補(bǔ)償器;
rc(k)—經(jīng)補(bǔ)償后的參考信號(hào);
P(k，z-1)—系統(tǒng)受控對(duì)象的閉環(huán)傳遞函數(shù)。
該控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：其一為離散重復(fù)控制器，另一為自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器。它們的工作原理如下：
(1)離散重復(fù)控制器
重復(fù)控制是指能消除所有包含在穩(wěn)定閉環(huán)內(nèi)的周期性誤差的控制方案，如圖3所示。
其中，P(z-1)代表被控對(duì)象的傳函，d(k)為*信號(hào)，其余信號(hào)的定義與圖2中相同。
由圖可得：
E(z-1)和D(z-1)為e(k)，d(k)的Z變換，若d(k)是一個(gè)周期為N的擾動(dòng)，則其Fourier變換為
|Cn|代表Fourier系數(shù)
而傳函在頻域內(nèi)可表示為
圖2自適應(yīng)重復(fù)控制系統(tǒng)控制框圖
式中a1，a2為時(shí)變參數(shù)，其控制思想是：首先由自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器在線地辨識(shí)系統(tǒng)受控對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)a1(k)，a2(k)，然后根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)節(jié)輔助補(bǔ)償器S(k，z-1)的參數(shù)，以得到適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制規(guī)律，從而使y(k)跟隨r(k)。由于辨識(shí)是實(shí)時(shí)的，就能使系統(tǒng)總能根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行條件進(jìn)行控制，從而可以提高控制的精度，這也就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的思想。
圖3重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3實(shí)驗(yàn)與效果
根據(jù)文獻(xiàn)[6]該方案已在2kVA，輸出100VAC，60Hz的逆變器上得以實(shí)現(xiàn)并取得了良好的效果。
(1)對(duì)于峰值系數(shù)為3的整流性負(fù)載，相同條件下采用狀態(tài)反饋控制，得到輸出電壓THD值為8%，而采用自適應(yīng)控制后THD值能在0.2s內(nèi)降低為1%[6];兩種方案下的輸出波形比較如圖4所示。
(2)該方案有效地消除了由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化(包括負(fù)載參數(shù)、元器件參數(shù))而對(duì)系統(tǒng)輸出造成的影響。
圖4兩種控制方案的輸出波形
(a)狀態(tài)反饋控制方案(b)自適應(yīng)控制方案
(3)與其它控制方案相比，該方案不但具有較快的誤差收斂速度，而且還確保了系統(tǒng)在大的負(fù)載擾動(dòng)下的穩(wěn)定性
(4)與無(wú)差拍控制方法中應(yīng)用的負(fù)載參數(shù)辨識(shí)相比，該方案辨識(shí)的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，
即是總體考慮，而不僅僅從局部上著眼，因此更為先進(jìn)，更利于應(yīng)用。
(5)該方案更為有利的是，在設(shè)計(jì)時(shí)不必知道PWM逆變電源系統(tǒng)確切的數(shù)學(xué)模型，而只需在應(yīng)用中用實(shí)時(shí)辨識(shí)的模型代替。這就提供了一條途徑，使得自適應(yīng)控制方法能直接應(yīng)用于傳統(tǒng)的模擬控制的PWM逆變電源中，進(jìn)而有效地提高其輸出的質(zhì)量。
總的來(lái)說(shuō)，本文所介紹的這種PWM逆變電源的自適應(yīng)控制方法具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一種新穎的方法，解決了一些實(shí)際問(wèn)題。當(dāng)然，作為一種新型的控制方法，它肯定還有不少需要完善的地方。由于自適應(yīng)控制畢竟是一種非線性控制方案，其設(shè)計(jì)自然要比常規(guī)反饋控制復(fù)雜得多，系統(tǒng)建模及穩(wěn)定性分析也非常困難。筆者正在作進(jìn)一步的研究工作，以盡快使其實(shí)用化。
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