（电力电子与电力传动专业论文）数字控制信号电源研究与实现.pdf

数字控制信号电源研究与实现 a b s t r a c t i nm a n y a p p l i c a t i o nf i e l d s ，p o w e rs u p p l yn e e dp r o v i d eap o w e r s o u r c et h a ti t s f r e q u e n c y c a l lv a r yi naw i d e r a n g e t h es i g n a lp o w e rs u p p l y t h a tt h i st h e s i sp r o p o s e d i saf r e q u e n c yv a r i a b l ep o w e rs o u r c eu s e di nt e s tf i e l d t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so n a n a l y s i sa n dd e s i g n i n gt h e n u c l e a r p a r t ：i n v e r t e r d i g i t a lc o n t r o li sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n t i np o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h i s t h e s i sf i r s t a n a l y z e ss e v e r a ld i g i t a l c o n t r o lm e t h o do ft h ei n v e r t e r , t h e ns e l e c t s r e p e t i t i v e c o n t r o l s t r a t e g y a st h ec o n t r o l s t r a t e g y f o rt h e i n v e r t e r s t a b i l i t y , c o n v e r g e n c ec a p a c i t yi sa n a l y z e d t od e s i g n i n gt h em p e t i f i v ec o n t r o l l e r t w od e s i g n i n g m e t h o d sa r ea n a l y z e di nt h e t h e s i s d i g i t a lf i l t e rf i ri sa p p l i e di n t ot h er e p e t i t i v e c o n t r o ls t r a t e g y d e t a i l e dd e s i g n i n gm e t h o do f t h ef i rf i l t e ri sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h e s i g n a lp o w e r s o u r c ei ss i m u l a t e d u s i n g t h em a t l a bs i m u l a t i o nt 0 0 1 a s i g n a lp o w e rs u p p l yi sc o n s t r u c t e du s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n d m i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) b o t h s y s t e ml e v e ld i g i t a lc o n t r o la n dd e v i c el e v e ld i g i t a l c o n t r o la r er e a l i z e df o r p o w e re l e c t r o n i c d e t a i l e dd e s i g n i n gm e t h o di n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o p o s e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es i g n a lp o w e r s u p p l yh a s g o o ds t a b i l i t y , w i d ef r e q u e n c yr a n g ea n dg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s i g n a lp o w e rs u p p l y , i n v e r t e r , f r e q u e n c yv a r i a b l ep o w e rs u p p l y r e p e t i t i v ec o n t r o d i g i t a lc o n t r o l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 数荽控制信号电源研咒与宴现 注释表 h p w m 混和脉宽调制 “o 直流母线电压 “ 桥臂中点电压 t滤波电感电流 ：0 负载电流 f c 电容电流 “d 输出电压 “，参考电压 三r 滤波电感c ，滤波电容 r 。 电容寄生电阻 电感寄生电阻 月 负载电阻 u 。 载波的幅值 m电压调制比 ，( j )l c 滤波器的模型 k 。 电压环比例系数 k 。电压环积分系数 k 啦 电流环比例系数 足 逆变桥的放大系数 k 。，电压反馈系数k f电流反馈系数 k 。 电压调整率 p误差电压 k “ 电感电流反馈电压上升系数 k c电容电流反馈电压上升系数 ： 采样频率 z逆变器输出频率 g 重复控制器衰减系数 s ( z )重复控制器的校正环节 尸( z )逆变器离散传递函数 i i r 无限冲击响应滤波器 f i r 有限冲击响应滤波器 x 南京航空航元大学颂t 学丝论戈 1 ，1 课题背景 第一章绪论 众所周知，我们所使用的市电频率是5 0 h z ，但是，在实际生活中，有时需 要的电源频率不是5 0 h z 。电气化铁路是我国铁路发展的方向，2 5 h z 电源是电气 化铁路区段信号系统的关键设备。在航空航天领域大量使用的电源是4 0 0 h z 的 电源。 在很多场合，需要电源的频率在一个范围内能够连续调节。变频电源广泛 应用于航空、机械、轻工等行业。大型地网接地电阻的测量中，就地网而言其 工频接地电阻是重要参数之一。为减少工频干扰，应用变频电源测试是一种行 之有效的方法。变频电源用来提供频率异于5 0 h z 的测量信号，是接地电阻变频 测量的核心部件，其设计直接关系到测量结果的准确度】。目前国内外对稠油井 的开采都采用稠油热采，即采用电加热工艺技术，使稠油变稀，以实现稠油的 j i l 页, ；f f j 开采，传统的电加热使用工频加热电源，加热效率低。根据加热理论的集 肤效应，采用高频加热电源加热可以大大提高加热效率，国外先进的中频加热 电源可提供2 5 01 0 0 0 h z 的频率【2 】。异步测功机用静止变频电源是用于控制异步 测功机的变频调速装置，也就是让异步测功机作为发电机运行，再把异步测功 机输出的交流电源变为直流电流，并通过同步整流器把直流电变为与电网同频 率、同相位、同幅值的交流电回馈电网。只要改变电源的输出频率，就能通过 异步测功机实现对负载的平滑稳定调节【引。变频电源还作为经纬仪电源、高速电 机变频电源、钻孔机电源等在工业应用中大量使用。 过去的变频电源采用电动机和发电机组的结构，电动机带动发电机发电， 通过改变电动机的速度来达到发电机输出频率调节的目的，这种结构体积大、 效率低、噪声大、费用高、稳定性差。电力电子技术的发展使得采用电力电子 器件构成的变频电源大量运用于各种场合，由于采用高频s p w m 调制，体积大 大减小，输出波形也有很大的改善。 变频电源输出波形的品质是很重要的，要求输出电压、频率稳定，输出波形 失真小，效率高，并且要求输出电压波形的正弦性在空载及各种不同性质负载 敬f 控制唐弓电源研究与实现 条件下都能得到满足。尽管工业4 芑产中丈量使用的变频器能够输出频霉变陀的 电压，但是并不能：爵变频器直接作为变频电源使用因为变频器是用亍吧机调 速的装置，主要是以电机作为负载进行设汁，变频器主要用处是调运频率处 于变化中而交额电源主要解决电源转换的问题，可以变压也可以变频，频率 在固定状态使用。电机的调速睦质决定了变颁器更注意的是其输出电流的波形 和动态响应，陛能而不是输出电压的波形，所以其输出电压波形的质量并不高， 载波频率也比变频电源的载波频率低。另外由于电机是感性负载，变颓器不适 合带容性负载或者非线性负载。 本课题给仪器供电的信号电源就是变频电源在仪器测试领域的一个应用范 例。要求提供的正弦电压信号稳定，失真小，频率可以连续调节，可以输出含 自定义谐波含量的电压波形，并输出一定功率。以往的信号电源由信号发生电 路、功放、输出变压器组成。功放将信号放大，并通过输出变压器向负载提供 定的功率输出。但是由于功放的容量限制，信号电源容量往往做不大。本课 题通过电力电子变换将5 0 h z 的市电整流后，经过前级p f c ，d c d c 变换后获 得稳定的直流电压，采用全桥逆变结构、h p w m 调制将直流电变为输出频率可 调的交流电。该变频电源的核心是后级逆变器，该逆变器包含三个部分：d s p 控制器部分、全桥逆变功率电路部分、单片机人机界面部分。d s p 控制器部分 实现给定信号的生成、逆变器的控制算法以及和单片机的通讯：全桥逆变功率 电路部分将给定信号放大输出；单片机人机界面部分获得信号电源需要的参数， 并与d s p 控制器进行通讯。该信号电源采用全数字控制，获得了满意的效果。 1 2 电力电子装置的数字控制 电力电子技术自上世纪7 0 年代以来，经过近3 0 年的发展已取得了长足进 展，目前已经成为国民经济的支撑技术与产业基础之一。从学科方面来分，电 力电子学由电力、电子与控制这三大部分组成。按组成来分，电力电子系统又 可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面的发展可以 p o w e r m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等为代表的现代电力半导体器件的广泛应用为 主要标志。电路方面的发展使以p w m 电路拓扑和软开关技术等高频电力电子技 术的完善为主要标志。数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技 术的突飞猛进，将对电力电子技术的发展起到巨大推进作用【4 j 。 妻室堕窒堕蒌奎兰堡主堂些堡兰一 1 2 1 数字控制具有的优势 传统的电力电子装置多采用模拟电路，控制方法为传统的p i d 调节器。传 统模拟控制存在许多固有的缺点1 5 l ： ( 1 )器件数量多，制造成本高，系统的可靠性低，产品升级换代困难。 ( 2 ) 设计周期长，调试复杂，生产效率低，控制系统的一致性差。 ( 3 )器件老化、热漂移等会使得逆变电源输出性能下降，甚至导致输出 失败。 ( 4 )模拟控制的逆变电源的监控功能有限，只能通过模拟的测量以及光、 声信号来显示、报警。 ( 5 )较难实现先进的复杂的控制算法。 近年来，随着大规模集成电路a s i c 、现场可编程器件f p g a 及数字信号 处理器d s p 技术的发展，尤其是t e x a si n s t r u m e n t 、m o t o r o l a 、a d i 等公司相继推出了适用于逆变电源控制的d s p ，且功能越来越完善、性能越来 越优越，数字化控制也有了越来越广阔的发展空间。和模拟控制相比，数字控 制具有非常明显的优势1 6 1 ： ( 1 ) 系统紧凑，通用性强，可一机多用，性能价格比高。与模拟控制系统 不同，数字控制系统的控制方案并不是全部体现在硬件电路上，而是主要集中 在控制程序，即软件上。在硬件配置确定之后，系统具有较强的通用性，仍可 以选择多种控制方案。 ( 2 ) 控制规律灵活。数字控制系统中，若想改变控制规律，般只需改变 控制程序，硬件结构则可以保持不变。因此，可以方便的尝试各种可能的控制 规律。 ( 3 ) 可以实现许多先进、复杂的控制算法，可望从根本上提高系统的性能 指标。现代控制理论或智能控制理论涉及到许多复杂算法，是模拟系统无法或 难以完成的，但具备运算，记忆和判断能力的微处理器则擅长于实现这类算法。 ( 4 ) 抗干扰能力强。数字控制使用的是以“l ”、“0 ”表示的“高”、“低” 电平，区分明显。不易受外界干扰和元件参数老化，漂移的影响。 ( 5 ) 便于实现控制、管理和通信的结合，可提高分布式系统的自动化程度 和可靠性。随着分布式电源系统的发展，数字控制系统的网络通信和集中监控 功能也越来越受到重视。 数字控制信号电源研究与实现 1 2 2 电力电子装置的数字化控制分类1 4 】 电力电子装置的数字化控制大致可以分为两类：装置系统级的数字化控制、 开关功率变换器的数字化。数字化首先从系统级开始，并逐渐向开关功率变换 器的实时控制深入。 装置系统级的数字化可以包括：系统的人机界面( 如数字化面板的参数发 定与状态显示) 、自动检测与保护以及系统的遥控与通讯等。装置系统级的数字 化在国内外的研究与开发均取得了很大进展，有许多商品化鲍电力电子装置目 前已实现了这方面的数字化，极大的简化了控制系统的硬件和人工操作、优化 了系统的性能，显著增强了系统的功能。上述控制当中，系统的遥控与通讯具 有新的意义，目前已经成为一大发展方向。如通讯电源系统为提高容量和运行 可靠性，通常是由n 个模块构成( 可达2 0 0 个以上) 的，模块间的均流，系统 与模块间控制与反馈均可经由数字式通讯实现。系统的遥控、遥测目前已经可 以通过因特网实现，这可以极大的改变电力电子设备的运行管理。 开关功率变换器是现代电力电子系统的核心技术。这方面的数字化应用要 比系统级控制落后。开关功率变换器的数字化实时拙伟4 研究在宇航、军工及一 些功能较为复杂的装置上首先展开。数字化实时控制的实现是以m c u 、d s p 、 以及现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 等为基础的。目前已在大功率传动、感应加 热等装置上得到应用。对于一般开关功率交换器的数字化控制已经有了一些成 熟的经验。 开关功率变换器的数字化是指对功率开关的状态实时控制。采用数字控制 的方法对变换器中的功率开关器件的状态直接进行干预。包括： ( 1 ) 对开关管的占空比、导通关断时间、同一桥臂的两个开关管死区时 间的控制。 ( 2 ) 对电力电子装置的工作状态以及参数，如电压、电流、频率相位等 进行实时控制。 ( 3 ) 对多级变换器、级联式变换器、并联结构交换器中的多个开关管的 开关时间进行协调控制。 由于开关功率变换器在电力电子装置中具有核心的地位，系统的许多重要 性能都基于这一核心的技术水平。例如系统的效率、体积、可靠性、电磁兼容 性、正常工作范阐、设计和生产成本等均与这一核心关系紧密。因此，仅仅有 南京航警抗无大掌顶士学瘟蛇支 系统级的数字比是不完全的，开关功率变换器的数字化是全面堤升电力毛子装 置洼能的基础，是电力毫子装置整体实现数字化的重大步骤。 1 2 3 数字控制的主要手段。 现在用于实现电力电子电路数字控制的主要手段有： ( 1 ) 由专用大规模集成电路如可编程控制器p l c ，可编程门阵列等) 组 成的数字式硬件控制手段，促使控制电路运算能力加强，并可以实现小型化， 集成化。现在p l c 已经发展成了除了可以用于逻辑顺序控制，还具有数据处理， 故障自诊断、p i d 运算、联网等能力的多功能控制器。 ( 2 ) 由微处理器组成的软件控制手段。妇单片机和d s p ，它们具有极好的 快速运算、信息存储、逻辑判断和数据处理能力，以及丰富的片内外设，因此 很容易实现电力电子变换器系统中的许多控制要求，在电力电子变换器中得到 了日益广泛的应用。 1 3 本文主要内容和主要意义 综上所述，本文的研究内容为数字控制信号电源。所做工作主要有： ( 1 ) 对信号电源的系统级和装置级数字控制均进行了研究实现。 ( 2 ) 实现了信号电源的数字化，频率在2 5 h z 4 0 0 h z 连续可调。 ( 3 ) 对逆交器的数字控制方式进行了比较分析，为设计逆变器的控制方式 提供了依据。 ( 4 ) 逆变器采用重复控制方式，对重复控制器的稳定性和误差收敛性能进 行了分析，在此基础上发计了重复控制器的控制参数。采用了数字f i r 滤波器 作为重复控制补偿单元。 ( 5 ) 搭建了数字信号处理器( d s p ) 的开发平台，以及单片机人机界面、通 讯控制平台，用汇编语言进行了控制程序和人机界面、通讯程序的设计。 l g 。( 1 e o ) l 。这是因为负载总是功率消耗元件，g ( _ ，出) 的实部是恒为 确硝g 一埘h 陬( m h 1 + 警 卸闱粥刎硼 邪棚硼， 可以看出，在相同的调节器增益的情况下，方式2 的开环增益较方式1 大，故 其截止频率较方式1 大，而且在相同频率处方式2 的相角也比方式1 大，因此， 方式i - l g 有事大的相角和幅佰裕序稳宦幛再任 2 5 2 外特性 由于闭环增益是与负载相关的，当负载变化的时候，输出电压会有定的 变化，这种变化的大小就用通常所说的系统的外特性的软硬来描述。定义电压 调整率为逆变器从额定负载变为空载时，输出电压的上升量和额定负载时的输 出电压的比值。即电压调整率k ，= = 吲七q 叱其中“。为空 载时的输出电压，“。为额定负载时的输出电压，k ，( k 。 1 ) 为电压上升系 数，电压上升系数越大，则电压调整率越大，系统特性越软。为了比较电感电 流反馈和电容电流反馈两种反馈方式下系统的外特性，分别定义电感电流反馈 和电容电流反馈的电压上升系数为k 和k ，分别定义电感电流反馈和电容电 流反馈时的闭环传递函数为g 。( s ) 和g ( s ) ，则 翁 l 【 ) s ( fl g 数字控制信号电源研宄与实现 = 面 二卯 5 c + g ( s ) + 膏w ( 足叩+ ) = 蔷舞s k f 2 s c + k 。f t k 。p 十= 詈 在两者具有相同的校正环增益即k ，i = k j ，2 时 堕：堑 g c r ( j c o ) l k f“”l g ( j c o ) i 上 l ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中 g 。( 脚) j 和l g c 尺( j o j ) f 分别为电感电流反馈和电容电流反馈额定负载时 的闭环增益，即炙d ) k ，故方式l 较方式2 的外特性软。 2 5 3 直流输入扰动性能 信号电源分为两个部分：一是整流部分，它将工频交流电经过整流变为直 流电提供给逆变器；一是逆变部分，逆变器将直流电变成需要的交流电。般 的逆变电源有两级结构和三级结构两种，将整流桥整流后的直流电直接供给逆 变器为两级结构，整流桥整流的直流电经过d c - d c 变换螽再供给遴变器为三级 结构，不管是两级结构还是三级结构，直流母线电压都有一定纹波，只是三级 结构的直流母线电压纹波含量小。由主电路的结构框图可以看出，直流母线电 压实际上是作为一个放大系数作用于系统，纹波的存在将对系统产生一定的扰 动。有必要考虑这种扰动对系统产生的影响。为了比较逆变器在两种电流反馈 方式下抗直流扰动的性能，将逆变器带阻性载时电感电流反馈和电容电流反馈 输出对直流扰动的传递函数分别记为g 。) 和g c 。 ) ，则 g ，f s 、：盟：l 一( 2 1 1 ) “一劬d ( 5 ) s 2 l c 删告+ k 。c ) + ( 1 + 式2 。+ 铷+ 争 南京航空航无大学硕士学匣沧文 田“2 丽u o ( s ) 2 忑磅蕊1 蕊 ” 其中k = k _ 1 k j k f t ，k ，2 = kp2 kj k ，2 ，k2 】；k 旷k f i k4 k p r k 2 2 = k 旷k 驴2 k 爿k 叩，k 3 l = k 矿k ，k 叫k j ，k 2 = k 矿足，k 妒2 k j a 可以看出6 。( s ) 分母比g 叫( s ) 多了i k l l 项，故方式l 输出对输入干扰的 衰减系数比方式2 - k ，而且方式1 输出对输入干扰响应速度比方式2 快。电感 电流反馈能够更好的抑制直流电压干扰。 25 4 带非线性负载能力 图2 1 7 负载扰动控制框图 逆变器的应用场合是多种多样的，因此逆变器所带的负载也是不确定的。 现代电力电子技术的飞速发展使得电力电子器件运用越来越广泛，而电力电子 器件的特点就是其以开关方式工作，而开关是非线性的元件，当逆变器给包含 电力电子器件的系统提供电源的时候，就相当于逆变器带了一个非线性负载。 典型的非线性负载是带电容稳压的整流桥，其特性是当整流桥的输入交流电压 大于输出直流电压时，二极管导通，反之截止，这样整流桥的输入电流的馒头 波形状就发生畸变，整流桥所带负载越轻、电容值越大，则整流桥输出电压越 接近输入电压峰值输入电流畸变越厉害，当整流桥作为逆变器的负载时，必 将导致逆变器的输出电流含有丰富的谐波含量，谐波电流反过来会对输出电压 产生影响，使得输出电压也发生畸变。负载对系统的影响是通过负载电流产生 的，我们可以通过分析负载电流的扰动对系统输出电压的影响大小来分析逆变 器带非线性负载的能力。考虑系统抗负载干扰能力时，可以将原系统框图的负 数字控制信号电源研究与实现 载断开，代之一输出电流干扰j 。，这样原系统框图变为图2 1 7 。 分别得到方式1 和方式2 输出电压对电流干扰j ，的闭环传递函数g 。，( s ) 、 g 。( s ) 如下： 吲耻舞2 五忑五s l + k 碡n 一一 “。( s ) c i c , o ( s ) = 瓦面 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 可以看出g 。( 回的零点为一k 1 l ，g c , o ( s ) 的零点在虚轴上。故方式2 对负 载干扰的响应速度较方式l 快很多。而且方式2 对负载干扰的衰减系数较方式1 大。所以方式2 带非线性负载能力较方式1 强。 以上在理想情况下将两种电流反馈控制方式的性能进行了比较，可以看出 电感电流反馈的稳定性比电容电流反馈好，但是后者的外特性比前者硬，抗负 载扰动能力也比前者强，更能适应非线性负载。 图2 1 8 为满载情况下两种电流反馈方式的幅相曲线( k 。= k ，。= o i 、毛= 瓦2 = 1 0 、k 一o 0 6 8 ，k 。= o 2 ，k 。= 5 0 0 ，k a = 3 5 0 1 5 ) ，曲线a 为电容电流反 馈，曲线b 为电感电流反馈，可以看出两者的截止频率都为4 k h z ，而开关频率 为1 5 k h z ，这是符合截止频率等于l 3 l 7 开关频率的要求的。电感电流反馈 方式的相角裕度为7 5 。，电容电流反馈方式的相角裕度为6 0 。在5 0 h z 处电感电 流反馈方式和电容电流反馈方式的开环增益分别为2 1 d b 、2 8 d b 。 2 0 3 。0 1 0 1 ： 氍 日o ；n ，n m ：； 精 、 一 n ii ；n ： m “目m n q j 图2 1 8 满载情况下的幅相曲线图2 1 9 空载情况下的幅相曲线 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 1 9 为空载情况下两者的幅相曲线，因为空载情况f 电感电流即为电容 电流，所以，两者的幅相曲线是一样的。空载时的相角裕度为3 0 。可以看出和 电压有效值、瞬时值双环控制相比，电压电流双环控制在不降低低频开环增益 的情况下稳定裕度大大增加。两种电流反馈方式之间比较的话，则电容电流反 馈方式的相角裕度比电感电流反馈方式略小，但是低频增益却更高，外特性更 硬，这与前面的分析是一致的。 图2 ，2 0 是电感电流反馈方式带整流负载的仿真波形。和电压有效值、瞬时 值双环控制相比，输出电压波形质量大大改善，但是电压波形顶端仍有畸变。 00 0 20 0 40d 60 q0 0 20 0 40 0 6o o b 00 q 0 0 b0o 日 t ( 岛 图2 。2 0电感电流反馈整流载仿真波形图2 21 电容电流反馈整流载仿真波形 图2 2 l 是电容电流反馈方式带整流负载的仿真波形。正如前面分析的一样， 电容电流反馈方式带非线性负载性能比电感电流反馈方式好，其电压波形质量 更好。 2 6 带状态观测的无差拍控制f 1 3 l 一个模拟控制系统如果它的闭环极点位于s 坐标系的左半平面，且越远离 虚轴，则系统将获得越快的动态响应。这样，就希望将系统的闭环极点置于负 无穷远处。然而，这种模拟控制系统是不可以实现的，因为很难设计将所有的 极点都置于负无穷远处。但是，对于一个数字控制系统而言，通过坐标变换 z = p ”，s 平面负无穷远处的极点映射到z 坐标就成了z 坐标的零点。因此如果 能够将数字控制系统的所有极点都置于零点，则可以实现无差拍控制。以上说 明无差拍控制是数字控制所特有的。 珊瑚。瑚佃西。甚功，：呈。舶o ( ) ； 善。一 童。i 数字控制信号电源研究与实现 图2 2 2 是一个带输出电压和负载电流补偿的无差拍控制框图。它其实是在 电压电流双闭环控制的基础上增加了两个状态观测器；输出电压观测器、负载 电流观测器。 i ，了文 l 二_ 廿岛棚上栩；酏固j 细赢一冈l a j j i 十。：酮q q 疆铲断 淹p 。翟惑崎弋登 “r lf _ 1 l 曼! 兰! i 广t l d i g t a l c o n t r o l l e r 且一一竺i c a l s 竺：一j 图2 2 2 带电压电流补偿的无差拍控制框图 左边虚线框内部为无差拍数字控制器，右边的虚线框内部为控制对象的物 理模型，在该控制方案的电流环内部含有一个输出电压补偿环节，所以电流环 可以用较小的环路增益取得满意的动态响应。另外在电压环内部还有一个负载 电流扰动补偿环节以消除负载谐波电流的影响。 图2 2 3 是电流内环模型，g ( s ) 是负载导纳。可以看出输出电压对于电流内 环是一个干扰。如果不能抑制该干扰，系统性能将变坏。 图2 2 3 无差拍控制电流内环模型 为解决这个问题，检测输出电压，将其加到电流环内部，如图2 2 3 虚线箭 头所示，这样，电流环被设计成：u o o ( k ) = 疋 f + ( 尼) 一i ( 七) 】+ “。( ) 。其中t4 是 电流环的给定，即电压环的输出。由于电压检测信号被加到了控制环节，所以 电压干扰可以被提前补偿。这样电流内环可以被进一步简化成图2 2 4 所示。 南京航空航天火学硕士学庄论文 图22 4 尢差拍控制荷化附电流内卦 z o h 表示零阶保持器，其传递函数为g 。( j ) = = ，图2 2 4 所示系统 的开环传递函数为： 渺z 【( 亍1 - e - r s 丽i 】= 百1 丽1 - e - 8 r ( 2 - - 1 5 ) 其中瓦为电流环的采样周期，口= 华，电流环的特征方程为： z p q k 掣) ：0 ( 2 咄) 也 设计k 以使得式( 2 1 6 ) 的根被置于z 坐标系的零点以达到无差抬控制 的效果，则k 。= 菩笔；薯，这样设计出的系统实际电流就能够很快的跟踪电流给 定。既然电流环具有很快的动态性能，设计电压外环的时候可以把电流环简化 为个跟随器，图2 2 5 是电压环的控制框图。 等掣箍三丑球诽 r - 一_ 1 竺! 卜 豳2 2 5 无差拍控制电压外环控制框图 对应的控制规律如下：i c o , ( 七) = k 。 v 。，( k ) 一v 。( 尼) + f 。( k ) 其中“，为正弦参考f 为计算出的电流给定值，既然负载的特性是未知的， 负载电流对电压环将是一个干扰。因此，需要检测负载电流作为反馈信号加到 控制环节中以消除负载电流的干扰。将电流环等效为跟随器，并加入负载电流 反馈后的电压环简化为图2 2 6 。 数享控毒4 信号电源疆究与蜜现 图2 2 6 无差拍控制简化的电压外环 同样，将电压环的极点配置在零点以获得无差拍的效果。这样 r k ，= = 二乙一，其中r ，为电压环的采样周期。 ，。一c r 。 这种控制方式由于将系统闭环极点置于z 坐标系的零点，具有很快的动态 响应性能，另外由于在系统中加入了负载电流，负载电压解耦机构，与电压电 流双闭环控制相比具有更好的抗干扰能力，但是这种控制方式需要三个传感器 分别检测输出电压，电感电流，负载电流，增加了系统的成本。 前面几节讨论了几种传统的逆变器数字控制方式，仅需要采样输出电压的 控制方式有：电压有效值控制、电压有效值瞬时值双闭环控制。需要同时采样 电压、电流的有：电压、电感电流双闭环控制：电压、电容电流双闭环控制； 带状态观测的无差拍控制。其中电压有效值控制由于给定和反馈信号都是常数， 而不是随时间变化的正弦量只要在闭环系统内部采用一个积分环节就可以实 现无静差，调节器的参数容易设计，实现起来也简单，只需在每个采样周期中 将输出电压采样值平方，和前面周期的采样值的平方和累加，在一个正弦波周 期结束的时候求出其平均值即得到有效值。但是根据2 3 节的分析仿真结果，其 不能适应非线性负载，当其后面接整流性负载的时候，输出电压中将含有丰富 的谐波含量。 电压有效值瞬时值双闭环控制虽然在有效值环节内部增加了瞬时值环，动 态响应性能有所增强，但是这是以牺牲稳定性为代价的。往往需要在输出端接 一个假负载以增强系统稳定性能。这样将降低系统效率。而且这种方式为了保 证系统稳定，调节器的参数并不能设的很大，系统截止频率很低，动态响应慢， 带非线性负载的性能也比较差。虽然在一些不问断电源中采用了这种控制方式， 但是，这种控制方式并不适合在本信号电源中应用。 在电压电流双闭环控制方式中，由于引入了电流环，系统由二阶系统降为 一阶系统，系统稳定性大大增强电流环的引入还降低了负载谐波电流对输出 电压的影响，输出稳定精度增加了，同时动态响应也加快了。考虑到这些优点 在模拟控制逆变器中，电压电流双闭环控制大量被采用。根据前面分析结果， 南京航窄航天大学硕士学位论文 电容电流反馈方式在系统外特性、带非线性负载性能方面都较电感电流反馈方 式有优势，我们希望能用数字器件实现电容电流反馈的信号电源，但是在具体 实现上，存在许多问题。 首先，电压电流双闭环控制系统需要同时采样电压和电流的值，通过a d 转换将其变成数字量，而在实时控制系统中，特别是在高频开关电源中，需要 在一个开关周期中完成系统采样滤波、控制算法实现、p w m 输出以及和外部通 信等任务，这就对系统运算速度提出了非常高的要求，这其中，采样滤波时间 占据的时间相对开关周期来说是相当可观的，这是因为为了满足变频电源输出 电压精度的要求，必须对采样点进行过采样，即在个开关周期中，对同一个 采样点采样多次，然后对采样后的值进行滤波，以消除采样过程中噪声和干扰 的影响。对于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 d s p 来浇，一次采样时闯为6 6 玲，如果过采样需 要采样5 次的话，那么采样时间将为3 3 加，而对于开关频率为1 5 k 的变频电源 而言，开关周期仅仅为6 6 脚。在采样时间固定的情况下，为了降低采样时间和 开关周期的比例，就要求降低开关频率以增加开关周期，而开关频率的降低必 然会导致频率调制比的降低，对于输出频率仅仅为5 0 z 的逆变器而言，频率调 制比的降低并不会带来很大的影响，反而可以降低开关损耗，但是对于最高输 出频率为4 0 0 h z 或者更高的信号电源，当开关频率降为8 k 的时候，频率调制比 为2 0 ，这是不能满足系统需求的。另外采样点的增加将导致所需的传感器以及 a d 转换模块的增加，系统成本上升。 其次，电容电流反馈控制方式数字实现的时候。需要检测电容电流，由于 电容的阻抗相对负载而言比较大，流过电容上面的电流比较小，检测时引入的 噪声也就比较大，特别是当用数字控制器实现变频输出的时候，由于电容的阻 抗与频率成反比，输出频率越小其阻抗越大，电容上的电流也越小，为了保 证a d 转换器的输入电压不超过其参考电压，电流反馈系数是根据最大电容电 流设计，即根据最大频率设计，这样必然导致在低频时电容电流出现很大的噪 声。 再次，电压电流双闭环控制方式下的外环的补偿环节一般为p i 调节器，p i 调节器的幅频曲线如图2 。2 7 所示。调节器增益随频率的增加而降低，当系统输 出频率比较低的时候，由于在低频段有较高的增益，由于谐波电流而引起的干 扰能够被很好的抑制，但是当系统输出频率较高时，由予增益降低，稳态误差 变大，同时谐波拟制效果也差。本信号电源要求能够输出含自定义谐波含量的 数字控制信号电源研究与实现 电压波形，所以希望设计出的闭环控制系统在整个工作频段增益是相同的。 8 0 d e d i a g r a m 图2 2 7p i 调节器的幅频曲线 综上所述，传统的控制方式不能达到本信号电源的要求，我们希望的控制 方式是采样点少、控制简单、实现容易、在各次谐波频率点具有相同的开环增 益，同时还能够适应非线性负载。重复控制器具有以上优点，适合本信号电源， 作为种新的控制方式，重复控制也值得我们去研究，是本文将要主要讨论的 控制方案。 2 7 重复控制【1 4 】 重复控制在周期性的外激励信号的跟踪或抑制方法中，占有重要的地位。 这一方法最早应用于质子加速器控制当中，并取得了良好的控制效果。重复控 制以其相对简单的控制结构，高精度的完成控制任务的优异特性，而得到了学 者的普遍关注，并大量应用于各种含有周期信号的控制场合，如机械手轨迹控 制，磁盘、光盘驱动器，卫星姿态矫正的伺服机构等。 近年来该方案在逆变电源中的应用研究亦方兴未艾。这是由于在逆变电源 中因非线性负载等众多因素引起的干扰具有周期性，最终这种性质的干扰将导 致输出波形畸变亦具有重复性。利用重复控制能够拟制重复性干扰的特性，重 复控制逆变电源能够大大消除输出电压波形的谐波。 重复控制理论是一种基于内模原理的控制理论，即如果希望控制系统对某 一参考指令实现无静差跟踪，那么产生该参考指令的模型必须包含在稳定的闭 环控制系统内部。内模的概念早在5 0 年代就已提出，之后不少学者对此进行了 探讨，1 9 7 5 年& a f r a n c i s 和w f m w o n h a m 发表了线性多变量调节器的内模 南京航空航天大学颁士学位论文 原理一文，正式建立了内模理论。而重复控制的概念是由t i n o u s 于1 9 8 1 年 提出的，并进行了成功的应用。由于重复控制独特的性质，吸引了以s h a r a 、 m n a k a n o 和t 。o m a t a 为代表的一批学者对重复控制理论进行研究。1 9 8 5 年， s h a r a 从数学上证明了重复控制的本质是基于内模原理的控制方法，并将此结 论推广到多变量系统中，完善了重复控制的理论体系。由于重复控制器多采用 数字控制的形式，m t o m i z u k a 和k c h e w 等学者对离散时间域的重复控制特性 进行了研究，并针对不精确的控制对象模型提出了改进的离散重复控制器。至 此传统的重复控制理论以及设计方法基本成熟。 重复控制方案把作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器，从而构成 高精度反馈控制的设计原理。如一个稳定的闭环控制系统，希望在输入为阶跃 1 信