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基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器研究
摘要：研究了一種基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器控制技術，該方案在電流環(huán)和瞬時電壓環(huán)之外附加了一個重復控制環(huán)。在實現(xiàn)輸出電壓解耦和擾動電流補償后，根據無差拍原理設計的雙環(huán)控制器使逆變器達到了很快的動態(tài)響應速度；位于外層的重復控制器則提高了穩(wěn)態(tài)精度。該方案在一臺基于DSPTMS320F240控制系統(tǒng)的PWM逆變器上得到驗證。關鍵詞：逆變器；雙環(huán)；無差拍；重復控制
引言
隨著閉環(huán)調節(jié)PWM逆變器在中小功率場合中的大量使用，對其輸出電壓波形的要求也越來越高。高質量的輸出波形不僅要求穩(wěn)態(tài)精度高而且要求動態(tài)響應快。
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太接近s域虛軸的極點，增加其阻尼，能達到較好的動態(tài)效果[1]。單閉環(huán)在抵抗負載擾動方面與直流電機類似，只有當負載擾動的影響最終在輸出端表現(xiàn)出來以后，才能出現(xiàn)相應的誤差信號激勵調節(jié)器，增設一個電流環(huán)限制啟動電流和構成電流隨動系統(tǒng)也可以大大加快抵御擾動的動態(tài)過程[2]。瞬時值反饋采取提高系統(tǒng)動態(tài)響應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誤差的周期性補償，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差的效果，它主要分為重復控制[3]和諧波反饋控制[4]。
本文提出了一種基于雙環(huán)控制和重復控制的逆變器控制方案，兼顧逆變器動靜態(tài)效應，另外使用狀態(tài)觀測器提高數(shù)字控制系統(tǒng)性能。
1 逆變器數(shù)學模型
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逆變器的動態(tài)模型和直流電機相似，轉速伺服系統(tǒng)的設計方法在這里也適用。本文借鑒直流電機雙環(huán)控制技術，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)和位居外層的重復控制系統(tǒng)。在瞬時波形控制場合，控制算法的執(zhí)行時間和A/D轉換延時相對于采樣周期通常不可忽略，有必要采用狀態(tài)觀測器，利用其預測功能將控制算法提前一拍進行。本方案采用無差拍觀測器對輸出電壓和電感電流進行預測。
2．1 雙環(huán)控制
雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，Z（s）是未知的負載。需要檢測和反饋的信號有三個，即電感電流iL，輸出電壓vc，負載電流id。電感電流檢測為電流環(huán)而設。與直流電機相似，檢測輸出電壓不僅用于電壓瞬時波形控制而且實現(xiàn)輸出電壓解耦，消除輸出電壓對電流環(huán)的擾動，減輕電流環(huán)控制器的負擔。同樣，負載電流對瞬時電壓環(huán)來說也是一個外部擾動，
[1] [2] [3] [4]
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