（电工理论与新技术专业论文）ups逆变器的控制技术研究.pdf

u p s 逆变器的控制技术研究 r e s e a r c ho hc o n t r o lo fu _ p si n v e r t e r a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h er e q u i r e m e n to fu p s h a sb e c o m em o r ea n dm o r e ，a n dt h en e e do fi t sq u a l i t y 。h a sb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r t h e c o n t r o lt h e o r y o fu p si n v e r t e ri st h ec o r et e c h n o l o g yo fu p s ，a n di t sq u a l i t yc a l li n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo fu p s t h u sm o s tr e s e a r c h e sa r e c o n c e n t r a t e do nt h eu p si n v e r t e rc o n t r o l l t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r t h et a r g e to fi n v e r t e rc o n t r o li sm a i l ya b o u tf a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dh i g hs t a b i l i t y p r e c i s i o n o nt l l eb a s i so fa n a l y s eo f t h eu p si n v e r t e rc o n t r o l l e r t h es h o r t c o m i n gh a sb e e n p o i n t e d ，a st h ef a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dh i g hs t a b i l i t yp r e c i s i o nc a n n o tb ea c h i e v e di nt h e 5 锄et i m e t ot h i sp r o b l e m w eh a v e 伍e dm u l t i l o o pc o n t r o la n dd e a d b e a tc o n t r o la n dr e p r e s e n t an o v e lm o t h o do fm u l i t i l o o pf e e d b a c kc o n 拓o lw i t hd e a d b e a tc o n t r o l l e r nc a ne x p o r ta l l e x c e l l e n ts i n e - w a v ep o w e rf u l f i l l e dt h eb o t hr e q u i r e m e n t ，a n dc o u l db eu s e dw i t hl i n e a ro r n o n l i n e a rl o a d f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y s i z e sa n dc o m p a r e ss o m e k i n d so fd i g i t a lc o n t r o lt h e o r yi nt h e u p si n v e r t e r o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rr e p r e s e n t san o v e lm u l t i p l el o o pc o n t r o ls t r a t e g yo f u p s i n v e r t e r n l ev o l t a g el o o pw i t hp ic o n t r o n e ri su s e dt or e a l i z et h er o b u s t , a n d t h ec u r r e n tl o o p w i t hd e a d b e a tc o n t r o l l e ri su s e dt or e a l i z et h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h es y s t e m s e c o n d l y , t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fs e v e r a l c o n t r o lt h e o r i e s a r eb u i l t u pi n t h em a t l a b 6 5 ，a n dt h e a d v a n t a g e so ft h es e l e c t e d a r i t h m e t i ch a v eb e e np r o v e d f i n a l l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e s o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fu p si n v e r t e r b a s e do nt h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a k e yw o r d s ：u p s ；i n v e r t e r ；d e a d b e a tc o n t r o l ；m u l f i l o o p ；d s p i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名j 潲钐 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 随着科学技术的飞速发展，特别是各种精密电子设备的广泛应用，供电的连续性和 供电质量对使用的用户变得越来越重要，如何给各种电子设备提供高质量、高可靠性的 电源已成为电工领域的一个重要课题。 不间断电源( u p s ) 正是基于这种需要而产生的，它可以在市电正常或故障情况下 为负载提供稳定、可靠、干净的电源，因此越来越受到人们的关注。逆变器单元把由市 电整流滤波后得到的直流电( 或来自蓄电池的直流电) 重新变换成频率非常稳定、输出 电压受负载影响小、波形畸变因数满足负载要求的交流电。它是整个供电系统的核心部 分，其控制系统设计的好坏在很大程度上决定了供电系统输出电压的质量。早期的u p s 电源只需要输出不断电、稳压、稳频即可，然而，现在的电源不但需要输出电压稳定， 输出频率精确，而且要求其电源的动态响应速度快，另外还必须环保无污染。在未知负 载下，输出电压的低失真和快速响应成为高品质u p s 电源的两项重要指标。传统的控 制技术和控制电路的局限性使得u p s 电源不能满足越来越苛刻的用户要求。 随着现代电力电子技术的发展，更高性能的微处理芯片和外围芯片层出不穷：加上 一些更先进的数字控制理论及综合控制理论的不断涌现，为电力电子控制技术提供了新 的思路，使得以前些不可能实现的控制方法成为可能，可以很好的满足生产实践的需 要。 1 2u p s 逆变器控制技术的发展与现状 近年来，随着大规模集成电路( a s i c ) 、现场可编程逻辑器件( f p g a ) 及数字信号 处理器( d s p ) 技术的发展，u p s 逆变器的控制逐渐由模拟转向数字，即数字化方向发 展。目前，国外一些大公司陆续推出各自的数字化l i p s 电源产品，并且主要集中在大 中型容量领域；而国内诸多研究机构和生产厂家也正在大力拓展数字化控制这块新的研 究领域，市场上现有的l i p s 产品中已经有一些具有了数字化控制的u p s 电源，不过其 数字部分不尽相同，并且数字化程度不一。u p s 电源的响应速度要求比较高，主要受到 a d 转换器和所用微处理器芯片运算速度的芾0 约。目前，t i p s 逆变器的控制电路仍以模 拟元件为主，控制方法多为传统的p i d 调节器；而诸如无差拍控制等较先进的算法尚处 于试验研究阶段，离大规模实际应用尚有差距。下面内容简要回顾了u p s 逆变器控制技 术的发展历程，并对已有的各种控制算法进行概述、比较。 u p s 逆变器的控制技术研究 1 21 模拟控制 传统的l i p s 逆变器模拟控制技术已经经历了一个较长的发展时期，是一个比较古 老而相对成熟的控制技术。它采用连续的模拟器件和数字器件直接搭接，工作过程易于 理解，具有很大的频带宽度；控制精确，基本没有时延，设计也相对容易。目前随着制 造工艺的不断提高，器件价格不断下降，生产成本越来越低。然而，u p s 模拟控制器也 存在许多不可克服的缺点： i ) 由于不同厂家所使用的器件各自的特性差异，使电源的使用一致性不好。 2 ) 设计周期长，调试复杂。 3 ) 仅局限于传统的诸如p i d 和补偿技术等经典控制理论的简单算法，无法采用一些先 进的控制方法。 4 ) 器件数量多，体积大，控制电路复杂，系统的可靠性低。 5 ) 模拟器件有器件老化、温度漂移等固有的缺陷，导致设计良好的控制器经过一段时 间使用后性能就开始下降，甚至输出失败。 6 ) 模拟控制器是硬件方案，这就使得修改和升级换代非常困难。 7 ) 模拟器的监控能力也差，一旦出现问题，一般仅限于声光报警，只有技术人员亲临 现场才能排除，有极大的不便。 1 2 2 数字控制 由于模拟控制存在上述缺点，在很多场合已无法适应新的要求，因此势必需要数字 控制方法来取代。u p s 逆变器的数字控制就是用先将模拟量数字化，然后在微处理器中 进行数字信号处理，得到所需要的控制量后再还原成模拟信号的一种控制方法。与模拟 控制相比较，u p s 逆变器实现数字化具有如下好处： 1 ) 便于标准化，每台电源问的一致性好。 2 ) 减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力。由于采用数字控制技术，控制板的体积 将大大减小，生产成本下降。 3 ) 由于微处理器的运算速度快，因此可以实现更先进的无差拍等控制方法和智能控制 策略。 4 ) 避免模拟信号传递过程中的畸变、失真，减少杂散信号的干扰，输出质量好，稳定 性、可靠性高。 5 ) 设计和调试灵活。一旦控帝0 方法改交，只需要修改软件程序即可，无需变动硬件电 路，大大缩短了设计周期。 2 一 大连理工大学硕士学位论文 实时数字控制中采用软件算法来实现反馈控制，能很好地解决控制系统由于元器件 老化和温升带来的缺陷。 1 3 各种数字控制策略分析比较 由于高性能数字信号处理器的不断发展和广泛应用，使得重复控制、无差拍控制、 状态反馈控制、滑模变控制、模糊控制、神经网络控制及其他先进的智能控制思想应用 于u p s 逆变电源的控制系统之中成为了可能。另外，可以将p i d 等经典控制和现代智 能控制策略有效地结合起来，这样可以在很大程度上简化控制，提高控制系统的可靠性 和使用效果。 通常用如下一些指标来衡量u p s 输出性能的好坏：电压、频率、总谐波含量 ( t h d ) 、负载调整率、动态响应等。上述这些指标的好坏与u p s 逆变器的控制系统 息息相关。控制算法的选取对u p s 电源的质量至关重要。下面介绍一些最常用的数字 控制方法。 1 3 1p i d 控制 p i d 控制控制简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好， 可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术【1 】 2 】。 p i d 控制系统是将偏差量的比例环节( p ) 、积分环节( i ) 、微分环节( d ) 通过 线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。控制偏差量由给定值与实际输出量构成。 p i d 控制算法包括了动态控制过程中过去、现在和将来的信息：比例环节蕴含了动态控 制过程中现在的主要信息，能够校正偏差；积分环节代表了过去积累的信息，能消除静 差，改善系统的静态特性；微分环节代表了将来的主要信息，可超前控制信号变化，在 过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性， 加快系统的过渡过程 数字p i d 控制应用于u p s 中有一定的局限性。首先，p i d 算法控制的精度取决于比例 项和积分项的选取，这两项越大，控制精度越高。但是，加入积分项会使u p s 逆变器的 输出电压与给定信号之间产生相位偏移，而u p s 锁相同步的要求不允许这种相位偏移， 因此，必须抑制算法中的积分作用。另外，由于产生的是正弦波，虽然有积分环节，理 论上系统仍是一个有差系统。其次，u p s 逆变器的输出电压信号经采样离散化后，不可 避免会存在量化误差，这样，比例作用也要受到限制，否则系统很容易不稳定。最后， 由于采样和计算延时的影响，控制信号要延迟一个采样周期输出，这等同于在系统中串 联了一个纯延迟环节，减小了系统的稳定裕度。这几种作用的结果势必造成系统的稳态 3 u p s 逆变器的控制技术研究 误差大，输出电压波形畸变高，影响了u p s 的性能。 早期的u p s 电源控制，多为模拟p d 控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，p i d 控制器进行调节，其性能特别是动态性能及负载为非线性时，不会令人满意，为此，把 输出电感电流及滤波电容的电流的瞬时值引入了控制系统，使得电源的输出性能得到了 较大的改进。然而，庞大的模拟控制电路使得系统的可靠性下降，测试复杂。随着微处 理器技术的发展和数字智能控制器的实际应用，尤其是高性能d s p 的出现，又给这个 古老的控制方法注入了新的活力，许多新型数字p i d 算法不断涌，这方面的顾虑得到了 很好的解决。 1 3 2 重复控制 重复控制理论是在8 0 年代根据生产过程控制的实际需要而提出的控制系统设计理 论，近年来这种控制方法也应用于u p s 逆变电源的波形控制中，用来克服整流型负载 引起的输出波形周期性的畸变 3 7 】。 藿复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理。所谓内模原理，就是指外部信号 的动力学模型包含在稳定的闭环控制器内以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。 这样的系统能够无静差的跟随输入信号。假定前一个周期出现的基波波形畸变将在下一 个基波周期的同一时刻重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差确定所需的校 正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原信号上，以消除后面各周 期中将出现的重复性畸变。由控制理论知道，含有积分环节的闭环系统可以无静差的跟 踪阶越信号。与此类似，当内模中数学模型描述的是周期性的信号时，那么闭环控制只 要在其中植入同频率的周期，则该控制系统对此周期性信号可以实现无静差跟踪。因 此，重复控制对于消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变，具有非常明显的 效果。 重复控制虽然可以保证输出波形质量，但却有一个致命的缺点，由于延迟因子的存 在，重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期后才输出，这 样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少需要一个参考周期，干扰出现 后的一个参考周期内，系统对于干扰并不产生任何调节作用，这一个周期系统近似处于 开环状态，因此重复控制系统的动态响应很差，故重复控制一般和其他p w m 控制方式 相结合，用来改善输出电压波形。 1 3 3 无差拍控制 6 0 年代初美国著名的控制理论专家卡尔曼提出了无差拍控制思想，它是一种基于 微处理器实现的p w m 控制方案，在8 0 年代中期被应用于u p s 逆变器控制 8 _ 1 1 】。 4 大连理工大学硕士学位论文 无差拍控制是根据逆变系统( 包括滤波器) 的状态方程和下一个采样时刻的参考 正弦波推算出下一采样周期的开关时间，因此在理论上从第二个采样周期起，输出电压 波形就应该很好地跟踪参考正弦波。截至目前，基于无差拍控制的p w m 技术已经衍生 出多种方向，经常使用的是以下三种： 1 ) 阻性负载型无差拍控制 在这种方法中，假定负载为额定阻性负载，在每个采样时刻测量一次阻性负载的电 压，通过它来计算下一次采样时间的输出电压脉宽，从而使下一个采样瞬间的输出电压 值和参考电压值一致，其缺点是负载发生变化时稳态误差较大。 2 ) 采用干扰预测型观测器的无差拍控制 在这种方法中，把负载当作阶梯状的电流源，采用干扰预测型观测器来估算负载电 流，引入到脉宽计算中去。根据电流传感器的接法不同，又可以分为接在滤波电感和接 在负载上两种。与阻性负载无差拍控制相比，这种方法由于在计算中引入了负载电流， 因此对负载不敏感，系统带负载能力较强，并进一步改善系统的动态响应。 3 ) 以参数辨识为基础的无差拍控制 对负载性质和大小的准确区分是无差拍控制能否付诸实施的关键。这种控制方法通 过对输出电压电流相位的比较来识别负载的性质，然后对若干组电压电流采样值根据电 路方程进行最小二乘法拟和解得等效负载参数。使用这种方法可以使无差拍控制得效果 得到充分发挥，但是，其需要的运算量过大，控制方法过于复杂，很难实现。 无差拍控制是一种能够瞬时控制电压的有效手段，对负载具有很强的适应能力，尤 其对非线性负载，输出波形失真小，可以改善系统的动态响应特性。与其他的状态反馈 控制方案相比，无差拍控制不需要设置较高的开关频率即可达到较低的输出总谐波畸变 t h d ，减小了开关损耗，而且输出波形没有开关频率大范围邻域内的谐波，因而得到了 较快的发展。 然而，无差拍控制的自身缺点也十分明显：系统的鲁棒性不强，当负载变化，非线 性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成系统的不稳定或者输出性 能恶化，系统的误差与调制比输出的l c 等有关，瞬态超调量较大。因此必须结合其他 的控制算法，来改善其控制性能。 1 3 4 状态反馈控制方法 状态反馈控制是由中国台湾的邹应屿等人于1 9 9 4 年提出的一种可以任意配置闭环极 点的控制方法。 一5 - u p s 逆变器的控制技术研究 此控制方法的数学模型与无差拍控制的一样，一般是根据时域指标提出一组期望的 极点，通过设计反馈增益矩阵的设计，使闭环系统的极点恰好处于根平面上所期望的位 置，以改变系统的阻尼比，获得期望的动态特性，即所谓的极点配置问题。状态反馈系 数的确定大致有如下两种方法：1 ) 根据系统要求给出期望闭环极点，推算状态反馈增 益矩阵；2 ) 应用最优控制原理，使系统的阶越响应接近理想输出，并据此确定状态反 馈增益。 闭环系统的极点配置和系统的动态性能有关，输入增益与系统的稳态特性有关，逆 变电源在实际运行时负载的情况是变化的，对于控制系统来说在空载情况下最容易产生 震荡。因此，此方法可以克服无差拍控制空载时振荡的问题，使逆变器工作在一种稳定 的状态。输出电压跟踪参考正弦信号，波形畸变率低。系统负载突变时动态响应速度 快，输出电压波动小。改善逆变电源动态特性的一个方法是采用电压电流双闭环控制方 案，通过设置电容电流内环来改善系统的动态特性。 然而，状态反馈在改善动态品质的同时不能很好的兼顾稳态性能，尤其是非线性负 载时的波形失真问题仍很显著。 1 3 5 滑模变结构控制 前苏联学者e m e a b r h o b 在6 0 年代提出了滑模变结构控制，它是一种对系统的扰动和 系统的参数具有完全的自适应性的控制方法。 早期的滑模变结构多采用模拟控制技术，这存在着控制硬件电路复杂、控制功能有 限的弱点，严重阻碍了它的发展，然而用微处理器通过软件可以比较方便的实现滑模变 结构控制。离散滑模变结构控制包括两个部分：前馈控制和滑模控制。前馈控制保证系 统输出电压有较好的跟踪质量，滑模控制不是连续控制，而是一种开关控制，它使系统 运行于一种滑动模态，保证系统较强的鲁棒性。选取适当的状态变量，利用状态空间法 可求出滑模控制。 同其他几种u p s 逆变器的数字控制策略相比，滑模变结构控制的最大优势是对参数 变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒性特别强。 但是滑模变控制存在着控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效 果受采样率的影响，另外，就波形跟踪质量来说，滑模控制又不及重复控制和无差拍控 制，因此，一般滑模控制都与其他的智能控制相结合，用以改善其他控制的鲁棒性。 1 3 6 智能控制 智能控制技术是近几年来兴起的一种控制方式，主要包括模糊控制和神经网络控制 等。与传统的控制方式相比，智能控制最大的好处是不依赖于控制对象的数学模型，模 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 糊控制从模仿人的思维特性入手，模仿人的模糊信息处理能力，神经网络则是从微观角 度出发，模仿人的大脑神经网络对信息的处理能力。智能控制适用于线性和非线性系 统，因此可用于非线性带载的u p s 逆变电源系统的控制。理论上以证明，模糊控制可 以任意精度的逼近任何非线性函数，但由于硬件的限制，目前智能控制大都还处于实验 研究阶段。实际情况中常常将智能控制与其它方法相结合，完成各种性能指标并增强系 统的鲁棒性。 1 3 7s p w m 控制 s p w m 控制技术是在1 9 6 4 年由a s c h o n t m 培和h s t e m m l e r 把n 讯系统的调制技术应用 到逆变器而产生的。目前常用的逆变器控制技术是s p w m 技术，s p w m 是指按正弦规律 变化的等效p w m 波。s p w m 控制的原理简单，通用性强，控制和调节性能好，是一种 比较好的波形改善技术 1 2 1 1 3 1 。 p w m 脉宽信号利用正弦波的信号波对三角波进行调制，具体实现就是通过正弦波 与三角波交截产生一系列的脉冲信号，而此能量等效于正弦波所包的能量，此信号经过 放大后来驱动功率管的开通关断，然后经过整流后在输出端得到正弦波的过程。 然而，s p w m 需要设置较高的开关频率以达到较低的输出总谐波畸变t h d ，对功 率管及其缓冲电路的要求较高，并且增大了开关损耗，输出波形具有开关频率大范围来 邻域内的谐波。 由以上的分析可知，各种控制方法均具有各自的特点，表现出优良的特性和不足。 将几种控制策略结合起来的综合控制技术可以实现优势互补，必将成为u p s 控制技术 的发展方n 1 4 - - 1 6 。本论文所述新型无差拍算法正是基于这种思想提出。 1 4 本论文的研究内容 本文课题在u p s 单相全桥逆变器的控制技术基础上，研制了一台应用于小型计算 机网络的中小功率的u p s 电源。此电源的技术指标为： 输入电压：2 2 0 v 5 输出电压：2 2 0 v 输出电压纹波：o 5 输出频率：5 0 k 输出功率：1 k v a 开关频率：1 0 电 输出波形：正弦波 7 一 u p s 逆变器的控制技术研究 总谐波分量：l 频率变化范围：频率变化范围0 3 h z 本课在深入分析、比较了各神u p s 逆变器控制算法的基础上，提出新型双环控制算 法：外环采用p i 控制，实现系统的稳定：内环采用干扰无差拍控制，以达到系统动态 的稳定性。建立了控制系统的数学模型和仿真模型，并在m a t l a b 6 。5 环境下进行了综 合仿真分析，证明了所选用方法的可行性和优越性。最后介绍了以高性能数字信号处理 器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的u p s 逆变器控制系统的软硬件设计。本论文围绕 u p s 的控制技术进行理论计算、仿真分析与系统实现三个方面进行了阐述，力求在u p s 电源逆变器控制方面做一些有意义的探讨和研究。本文研究内容主要包括： 1 ) 对目前常用的u p s 逆变器控制算法进行了分析比较，并了解了目前数字信号处 理器地发展概况，指出了利用新型d s p 芯片能够实现新型双环控制算法，更好 地提高u p s 电源质量，从而明确了本文的研究方向。 2 ) 论述了双环控制算法的相关理论，分析了采用双环控制u p s 逆变器的必要性， 构建了主电路和控制电路的数学模型。 3 ) 应用m a t l a b 6 5 对所建立的数学模型进行仿真，根据仿真结果比较分析了几 种控制方案的优劣，并初步确定所设计装置的原始参数。 4 ) 结合现场要求，设计并研制了基于高性能数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的 u p s 逆变器控制系统，应用本文提出的双环控制算法，实现了u p s 电源商质量 供电的要求。文中侧重介绍了控制系统的软硬件设计。 5 ) 简要总结了本文取得的成果，并指明了后续工作的重点所在。 一8 大连理工大学硕士学位论文 2 双环控制原理 2 1 双环控制概述 2 1 1 采用双环控制的必要性 u p s 电源的应用场合对供电电源要求非常高，需要控制系统具有很好的动态响应功 能。而传统的单闭环系统无法充分利用系统的状态信息，单闭环在抵抗负载扰动方面与 直流电机类似，只有当负载扰动的影响最终在输出端表现出来以后，才能出现相应的误 差信号激励调节器。增设一个电流环限制启动电流和构成电流随动系统也可以大大加快 抵御扰动的动态过程。因此，可以仿效直流电机的转速、电流双闭环控制，在p w m 逆 变器的电压环基础上增加电流内环，利用电流内环有效抑制电流扰动。同时，由于电流 内环的作用，电压外环的设计可以大大简化【1 7 2 1 】。 另外，无差拍控制更有效的应用与多回路控制为主的电流控肯4 器设计，因为电流回 路的动态特性与能量限制均更能掌握。因此也较能发挥无差拍控制的效果。 2 1 2 电感电流反馈和电容电流反馈控制的比较 实际应用中，可以把输出滤波电感的电流i l ，也可以把输出滤波电容的电流值i c 作 为样值 2 2 1 。滤波电容电流是输出电压的微分c d u o d t ，它代表输出电压的变化趋势，具 有前馈的特性，相当于提前对电压的变化趋势进行校正，以达到改善系统动态性能的目 的。电感电流i l 等于电容电流i c 与输出负载电流i 。之和，即i l = i c + i 0 ，而i 。反映了输 出电压u o 的变化，在电感电流变化中可以看成一个稳定的正弦常量 2 3 1 。因此，从本质 上看，取i l 或者i c 作为电流采样值效果相同，即电感电流反馈也具有前馈的特性。然 而，若采用反馈电容电流，要想得到良好的扰动抑制效果，必将导致电流环的增益过 大。这不仅对稳定性不利，而且造成超调增大，电流跟踪的快速性也会受到影响。另 外，考虑到将电感放入电流内环可以简化电压外环的设计，并且电感电流包含了负载电 流，起到了限流的作用，因此可以取电感电流i l 作为电流采样值。检测电感电流的方法 有：1 ) 使用一个电流传感器；2 ) 在电感支路串入- - , j , 电阻，取电阻上的电压值，将电 流采用转化为电压采样【2 4 】。本论文中采用了电流传感器的方法。 2 2 双环控制算法 2 2 1 主电路数学模型 u p s 的主电路主要包括a c d c 整流和d c a c 逆变两个部分。在逆变器控制系统 中，主要讨论后一部分。由于其输出的电压精度对其后的逆变电路影响不大，本文的主 9 u p s 逆变器的控制技术研究 要研究对象是逆变器，故可以假定输入电源等效于直流电源e ，则等效的单相全桥逆变 器主电路如图2 1 所示，所用控制开关为i g b t 。其中，电流源i d i 。用来等效电路参数变 化或外部扰动所引起的扰动电流。 k 且 图2 1 逆变器主电路 f 追2 1t h e m a i nc i r c u i to f l n v e r t e r 负载电流对瞬时电压环来说也是一种外部扰动，因此，为了建立数学模型的方便， 可以将负载也同时包括进去，形成了如图2 2 所示的电路结构。z 为考虑到扰动电流 i d 。的负载 。-生- 其等效的数学方框图为 图2 2 逆变器主电路等效电路图 f i g 2 2t h e m a i nc i r c u i to f i n v e r t e r 1 0 大连理工大学硕士学位论文 v n 口u l + 图2 3 主电路系统方框图 f i g 2 3t h e m a i nc i r c u i to f i n v e r t e r 取x ( t ) = u o ( t ) i l ( t ) 7 为状态变量，平均电压u i ( t ) 和负载电流i 0 ( t ) 为系统输入，则主电 路状态方程为【2 5 ： 瓦d x ( f ) = 4 x 。) + b t u t o ) + b 2 i o ( f ) y = c x 其中 一= 。足一苫三 ，昌= 1 7 ，曰：= 一0 c ，c = c - 。， 下面进行离散化： x ( f ) = 8 帅。) x ( f ) + fe a ( b u m ( f 渺+ fe 坤_ f 。) w i ( r ) a r x ( t 1 ) = e 4 “x ( f ) + a 一1 0 。门一i ) w i l ( 假设i l 在t 内保持不变) x ( t 2 ) = e a ( h - t o ) x ( t o ) + e 。r 埘a 一0 4 r - 他一i ) w i l + 4 1 0 。7 一7 2 - i ) b e + a - t ( p 。7 一k ”一1 ) w i l x ( t 3 ) = e a t x ( t o ) + a 一1 0 。7 一i ) w i l + g 4 772 ( e 4 k 坨一e - a t e 2 ) 4 1 b e 其中：p 。l 门i + a t o 。2 + a 2 ( 乙2 ) 2 + ；口刊k 心，4 疋。2 + a 2 ( t o 。2 ) t 3 = 时1 订 ( 2 1 ) 由图2 2 可知，逆变器的输出u j ( t ) 是由i g b t 的通断所决定的脉冲函数，当采用单 极性控制方式时，其值为e 或0 。因为采样开关的频率很高，根据窄脉冲能量等效原 u p s 逆变器的控制技术研究 理，在一个采样周期内用平均值来等效脉冲值，可将u i ( t ) 等效为一个阶梯函数。若负载 电流在一个采样周期内保持不变，则状态方程( 2 1 ) 可以离散化为： x ( k + 1 ) = o x ( k ) + f i u ，( ) + r j f 0 ( k ) y ( k ) = c x 其中 c o s ( 出。疋) 一1 i n ( s l 0 9 。1 ) l 一 。) 嘉s i n ( 啦) c o s ( 国。五) 镀 卜“吐弦饵= l 泸1 - c o s ( r o 蜗o t s ) 帖 1 f 2 = ( e 札一1 2 ) 4 甜 ( 2 2 ) 上式中，1 2 是2 x 2 的单位矩阵，t s 为采样周期，= i 。面为二阶l c 滤波器 的谐振角频率。 从而电压、电流的离散化状态方程可表示为： “o ( k + 1 ) = 0 1 1 “o ( k ) + m 1 2 i l ( k ) + f i l “，( 尼) + f 2 i i 。( 七) i l ( k + 1 ) 盅中2 1 “o ( k ) + 0 2 2 i ( k ) + f 1 2 “，( 七) + 1 - 2 2 i 。( 七) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 2 2 2 内环控制算法 本课题采用双环的控制算法来调节系统的动态和稳态的特性，内环采用的是干扰无 差拍控制的方法 2 6 】，具体实现如下： 根据式( 2 4 ) 可得： i l ( k + 2 ) = 中2 l u o ( 七+ 1 ) + 中2 2 i ( k + 1 ) + f 1 2 “。( k + 1 ) + f 2 2 i 。( 后+ 1 ) ( 2 5 ) 1 2 l r 叫j 峨黝一嘶 。一卜 邑 大连理工大学硕士学位论文 则有： 姒) = 扣) _ 挚”1 ) 一睾“川) _ 缸川) ( 2 6 ) 将式( 2 3 ) 带入( 2 6 ) 得到 姒卜妒均一挚m 加雕卜r n 姒舶 ， + r 2 1 i o ( 纠一哿“) 一和) 一 整理后得到 “r 超+ 冀? 卜警“护等“ ， 一等姒旷半“妒和川， 一 用i 。k + 1 ) 代替i l ( k + 1 ) 、i r c t ( k + 2 ) 代替i l ( k 惶) 可以实现内环电流的无差拍控制，如此 则可得到： 峨? 锻百( 1 b2 2 ，一半姒铲i ( i ) 2 i f 2 1 “肼 亿 一等姒旷等“妒私川， 一 从无差拍控制原理可以知道，为了使系统在第k + 1 个采样时刻的输出能够跟上参 考正弦波，必须在第k 个采样周期内完成输出电压采样和下一个周期控制脉宽的计算。 为了确保输出脉冲的正确作用，波形在下一个采样周期到来之前，必须完成脉宽计算并 将其载入d s p 的t x c m p r 寄存器。但是，系统采样和计算耗费的时间不可能很大。为 了克服这个缺点，可以引入状态观测器，即在第k 1 个采样时刻，在完成t ( k - 1 ) 对系统 作用的同时，通过状态观测器预测出系统在第k 个采样时刻的状态x ，并将其代入到 1 3 u p s 逆变器的控制技术研究 t ( k ) 的计算中，从而得到第k 个采样周期所需的控制脉宽。状态观测器的采用可以使系 统输出电压采样与下一周期控制脉宽的计算同时进行。因此可以推知通过状态观测器可 以预测“，( ) 。 由上述分析可得，只要知道了屯( 女) 和j 。( | i + 1 ) 就可以求得“，( 尼+ 1 ) 。 而f ( ) 可以由( 2 1 0 ) 式得到： = z li “，( r ) 一“0 ( f ) 斫 f 。( 女+ 1 ) 可以通过二阶预估法得到 f 。( + 1 ) = 3 i 。( k ) 一3 i 。( 一1 ) + i 。( 七一2 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) i 。k + 1 ) 可以在外环控制算法中得到。 2 2 3 外环控制算法 电流的调节过程往往比电压的变化过程快得多，也就是说，电压环可以看成是电流 环的一个变化缓慢的扰动过程。所以，在设计电压环时，可以忽略电流环的影响，将其 看成是电压环的一个环节。 早期u p s 电源的数字控制，由于微处理器的速度有限，很难对瞬时值进行实时采 样和控制，而是多采用输出电压的有效值反馈。对于电压输出波形开环的系统，无法克 服由于死区、整流性负载等因素而引起的低次谐波，雨这些低次谐波又难于被输出滤波 器滤除掉，从而导致输出电压波形畸变严重。另外，对于直流电压及负载动态电压波 动，若仅仅采用输出电压有效值反馈进行调节，系统对各种扰动影响的调节会有周期的 延时。为了较好的解决这些问题，应将输出电压瞬时值反馈加到控制系统中。因此，在 本文中，采用电压外环输出电压的瞬时值信号直接反馈，与参考正弦电压比较，使输出 电压稳定在设定值上，并抑制输出电压的畸变。 虽然在无差拍控制中采用了干扰预测型无差拍控制，但是其稳态特性仍然不是特别 理想，而p i 控制可以改善其稳态特性，因此在外环中采用了瞬时值的数字p i 算法，在 外环中先对系统的特性进行改善。p i 控制器的具体作用如下： 1 4 大连理工大学硕士学位论文 比例调节作用：比例项目用于纠正偏差，即系统旦出现了偏差，比例调节立即产 生调节作用，用以减小偏差，比例作用大，可以加快调节，减小误差，但是过大的比 例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：积分项目用于消除系统稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分 调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决 于积分时间常数t i ，t i 越小，积分作用就越强。反之t i 越大则积分作用越弱。加入积 分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与令两种调节规律结合，组成 p i 调节器或p i d 调节器。 本论文中的控制算法采用的是数字控制理论，因此需对模拟的p i d 算法离散化，过 程如下： 模拟p i 调节器的算法表达式为【2 7 ： “( r ) = 世p e ( f ) + k ：d e 廊( t ) 其中：k p 为控制器的比例系数； l ( i 为控制器的积分时间； e ( t ) 为控制偏差信号。 由上式离散化得到： “( 女) = 世，( 后) + p ( ，) 个p 1 tj = o 第k - 1 次输出量为： “( k - 1 ) = k p e ( k 一1 ) + 鲁k - i p ( d 甲 1 产0 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 t 3 ) - 与( 2 1 4 ) 按照不同的表达式，得到了两种p i 离散算法，即位置式算法和增量式 算法。 1 ) 位置式算法 由( 2 1 3 ) 与( 2 1 4 ) 可得： 一1 5 。 u p s 逆变器的控制技术研究 u ( k ) = u ( k 一1 ) + a u ( k ) i “( ) = k ，g ( ) + 墨8 ( ，) + j z o 式( 2 1 6 ) n 为位置式算法。 2 ) 增量式算法 2 8 】 由( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可得： a u ( k ) = u ( k ) 一u ( k 一1 ) “( t ) = k 。0 ( 七) 一e ( k 一1 ) ) + k t e ( 七) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) b 1 1 为增量式算法。 两种算法的本质相同，只是形式不同。但是在实现数字p i 控制时，通常采用增量 式算法。增量式p i 算法与位置式p i 算法相比，有下列优点： 1 ) 位置式p i 算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的积累，累 加运算编程不太方便，计算量也比较大，用微处理器实现此算法，很容易发生数据 溢出。增量式p i 算法在进行积分运算时，只需要当次的c l c 和上次的l 即可，不需 要将历史上的e l c 全部用数据存储器存储，减4 , y 对计算精度的要求。 2 ) 采用增量式p i 算法，系统工作会更安全。一旦计算机发生故障，使控制信号u k 为 零时，执行机构的位置仍能保持前一步的位置u k 巾因而对系统的安全不会有太大 的影响。而且当计算机只输出增量时，计算机误动作时，造成的影响较小，手动到 自动切换的冲击小。 对外环实行p i 增量式控制，设e $ 产u f c k ) 一u o ，则其差分方程可表示为： “( 女) ；k 姐町( i ) 一“可( 七一1 ) ) 一( “。( ) 一“。( 七一1 ) ) + 足。阻可( 尼) 一“。( 七) ( 2 2 0 ) p i 调节器性能的好坏取决于l q , ，k i n 数选择是否恰当。 确定p i d 参数，可以用理论方法，也可以用实验方法。理论方法需要有被控对象的 准确模型，但是由于此系统的参数可能会随时间或者扰动的变化而变化，因此可以采用 1 6 大连理工大学硕士学位论文 实验方法来确定。为了减小实验次数，可参考经验公式导出基准p i d 参数，在此基础上 再进行不断调整、凑试。 用z i e g l e = r - n i c h o l s 方法来整定参数，这种方法需要做稳定边界实验，在系统的调试 过程中不断进行调节，直到系统达到最佳性能。在系统调试过程中，选择不同的采样时 间，所得到的跟踪精度和运算量也显著不同。可见，选取合适的系统采样时间和精度密 切相关。选取时，应在保证系统要求的前提下选取适当的采样时间，使控制器有充足的 时间去处理其它数据。首先进行纯比例控制，以给定值r 为阶越信号，将比例系数由小 变大，直到被控量出现临界振荡为止，记下此时的临界振荡周期t c 和临界增益k c ，则 对于p i 控制其闭环整定值为：k v = 0 4 5 k c ，k i = 0 8 t c 。先设置大概的值，在 m a t l a b 6 5 下进行仿真，并且不断调节k p 和鼬，直到逆变器输出令人满意的正弦波 电压。 当然，在k t s 时刻，u 。h ) 及u o ( k + 2 ) 的值无法测得，故此处采用预估的方法，预测 方法是一种在线不断滚动优化，且在优化过程中不断通过实测系统输出与预钡4 模型输出 的误差来进行反馈校正。 根据二阶预估方法得到： “。( 女+ 1 ) = 3 u 。( k ) 一3 u 。( 七一1 ) + u o ( 尼一2 ) “。( 女+ 2 ) = 3 u 。( t + 1 ) 一3 u 。( i ) + u o ( 一1 ) 佗2 1 ) 由此可得i 耐的值，然而由于预估算法在许多场合，尤其是系统参数变化的场合表 现了其不精确性，而且此处采用了两次预估，故所得的论不一定精确，而我们已经知 道此处的参考电流为正弦波( 可能会有波动) ，因此可以在d s p 的实际计算中应该引 进数据拟和的方法来改善其效果。 得到了电流的参考值后，根据内环控制算法的公式，可以得到u i 的值，那么可以 得到开关的控制时间，即p w m 的脉冲时间。k t s 到( k + 1 ) t s 采样间隔内i g b t 的导通时 间为： 驸) = 警砧 ( 2 2 2 ) 此时还需要进一步计算确定送给控制d s p 的p w m 输出的寄存器的值t x c m p r ： 1 7 u p s 逆变器的控制技术研究 l c m p r = 半t