用于逆变器的四分之一周期重复控制器

1、(19)中民(12)发明专利申请(10)申请公布号 CN 103812368(43)申请公布日 2014.05.21A(21)申请号201310724581.9G05B 11/32 (2006.01)(22)申请日2013.12.24(71)申请人浙江工业大学地址 310014 浙江省杭州市下城区潮王路18 号(72)发明人孙明轩胡轶邬玲伟毕宏博管海娃(74)专利机构 杭州求是专利事务所有限公司 33200杜军人(51)Int.Cl.H02M 7/48 (2007.01)H02M 7/5387 (2007.01)权利要求书6页说明书17页附图7页(54) 发明名称用于逆变器的四分之一周期重复(

2、57) 摘要器本发明公开了一种用于逆变器的四分之一周期重复器。现有重复技术对周期性外部激励信号可实现完全跟踪或抑制，需保存前一整个周期的与输出信号。本发明包括给定环节、周期反馈环节、信号变换模块以及减 / 加法环。给定环节产生周期对称的参考信号 ；构造周期反馈环节 ；依据吸引律方法 , 构造信号转换模块，其输出信号用于重复器的修正量 ；继而计算出重复控对象的输入。具体的器的输出信号作为被器参数整定工作可依据表征系统收敛性能指标进行，且提供了表征跟踪误差收敛过程的单调减区域、绝对吸引层和稳态误差带边界。本发明是一种能有效抑制对称性、提高1/4 周期重复精度、并大大减少内存占用的器。CN 1038

3、12368 A权利要求书CN 103812368 A1/6 页1. 用于逆变器的四分之一周期重复运行过程，其特征在于 ：器，尤其适用于逆变器，及工业场合中的周期(1) 给定参考信号 r(t)，该参考信号具有 1/4 周期对称特性p1.且 t N/4 ；p2.且 t N/4 ；其中，N 为参考信号周期 ；r0(t) 为信号的初始值，即周期信号第一个 1/4 周期的值，在区间 t> N/4 上恒取零值 ；根据具体情况当前时刻处在一个周期中的具置，然后依据 1/4周期对称特性这里的“±”是取“+”还是取“-”；所述逆变器的参考信号为正弦信号，当 t N/4，其 1/4 周期对称特性为

4、(2) 构造连续吸引律其中，e(t) r(t)-y(t) 表示跟踪误差， 0, 0,0 1 ；式 (4) 是有限 时间吸引律，其到达时间为吸引律 (4) 的离散化形式为22权利要求书CN 103812368 A2/6 页其中，0 1, 0,0 1 ；(3) 加入干扰抑制项，建立离散吸引律w(t+1) 为系统扰动项，d*(t+1) 为等效扰其中，等效扰动动的补偿，用于抑制干扰信号 d(t+1) 的影响 ；(4) 依据参考信号周期对称性的 1/4 周期重复器(a)1/4 周期重复器的周期反馈环节 ：对于情形 p1且 t N/4 ；对于情形 p2且 t N/4 ；其中，u(t) 是重复器的输出信号，

5、v(t) 是周期反馈环节的输入信号，经 e/v 信号转换环节得到方式 ；(b) 逆变器用重复系统具体模型，依据吸引律方法，可以得到 e/v 信号的转换器的周期反馈环节为(5) 给出 e/v 变换环节的具体 v(t) 表达式为 ：对于情形 p133权利要求书CN103812368A3/6 页对于情形 p2对于逆变器的参考信号为正弦信号44权利要求书CN103812368A4/6 页其中，z(t) r(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1)-b2u(t-1)，这里的 z(t) 是模型给出的 ：逆变器动态特性y(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1) b1u(t)+b2u(t-1)+w(t+1)

6、(14)y(t) 表示 t 时刻输出，u(t) 表示 t 时刻扰动。量 ；a1,a2,b1,b2 为系统参数 ；w(t+1) 表示2. 如权利要求 1 所述的器，其特征在于 ：该器的性能通过以下表征收敛过程的指标加以衡量，包括单调减区域，绝对吸引层和稳态误差带，具体定义如下 ：单调减区域 MDR绝对吸引层 AAL稳态误差带 SSE由所述的离散吸引律，确定 1/4 周期重复器的单调减区域边界 MDR，绝对吸引层边界 AAL，稳态误差带边界 SSE，其具体表达式如下 ：(1) 单调减区域MDR maxMDR1,MDR2(18)式中，MDR1，MDR2 为正实数，且满足55权利要求书CN103812

7、368 A5/6 页(2) 绝对吸引层AAL maxAAL1,AAL2(20)式中，AAL1，AAL2 为正实数，可由下式确定(3) 稳态误差带SSE 的具体取值可依据 AAL 来确定a. 当 AAL 时SSE maxSSE1,(22)其中 SSE1 是方程最大正实数解b. 当 0 AAL 时SSE maxSSE2,SSE3(23)其中 SSE2,SSE3，分别的最大实数解 ； 为方程实数解。3. 如权利要求 1 所述的器，其特征在于 ：该器的可调整参数包括 , ；参数整定可依据表征收敛过程的指标进行。4. 如权利要求1 或2 所述的器，其特征在于 ：参考信号满足r(t) r(t-N)+r0(

8、t)，具有整周期对称特性 ；该重复 w(t+1)-w(t+1-N) ；整周期重复器也适用于整周期重复器为，这时的等效扰动为 d(t+1)66权利要求书CN 103812368 A6/6 页5. 如权利要求1 或2 所述的器，其特征在于 ：参考信号满足r(t) r(t-1)+r0(t) ；该重复器为器也适用于常值调节问题，这时的等效扰动为 d(t) w(t)-w(t-1) ；常值调节77说明书CN 103812368 A1/17 页用于逆变器的四分之一周期重复器技术领域0001本发明属于重复器。技术领域，尤其是一种用于逆变器的四分之一周期重复背景技术0002重复是基于内模原理的一种方法。内模原理

9、的本质是将系统外部信号动态模型( 即为内模) 植入系统内，以此高精度的反馈系统，使系统能够无静差地跟随输入信号。依照内模原理设计重复器，需将周期信号的产生多项式置入闭环系统中，形成一个周期延迟反馈环节。无论输入信号波形如何，只要是以基波周期重复出现，器输出对输入信号逐周期累加，起到完全抑制周期性干扰的作用。目前的重复技术集中于基于内模原理的频域设计。为实现关于外部周期信号沿整个周期的完全跟踪 / 抑制，内模原理要求系统内部包含相同周期信号的实现机制。实现方式有两种 ：一种是纯时滞环节位于前项通道 ；另一种是位于反馈通道。含纯时滞环节的反馈系统可产生任意周期信号，信号的周期由滞后时间常数确定的闭

10、环系统是无穷维，它在虚轴有无穷多个极点。对于相对阶为零的系统( 对象传函为真)，重复可使闭环系统指数稳定，但对于严格真系统，闭环系统不可能做到指数稳定。这样，欲实现受控系统跟踪任意周期信号 ( 跟踪任意高频成分)，需要对系统结构提出非常严格的要求。通常放弃对参考输入高频成分的跟踪，仅保证低频频段上的稳态误差要求。一种做法是在纯时滞环节前设置低通滤波器，截去剪切频率以上的高频成分。0003当采用离散时滞内模时，闭环系统为有限维。通常，稳定的最小相位系统可采用零极对消的前馈补偿设计，稳定的非最小相位系统可采用零相位补偿。以零相位误差跟踪控制 (ZPETC) 方法设计重复器，其稳定性容易，仅取决于重

11、复器增益的选取。零相位补偿可对消不稳定零点引入的相移，但不能使得对消后增益为1。增益的影响高频分量的跟踪性能，需进一步采取措施消除其影响。全对消会0004离散重复机制为需构造周期为N 的任意周期信号内模。周期为 N 的对称信号的产生00050006这里，q-1 为一步后移算子，即对于信号 f(t)，有 q-1f(t) f(t-1) ；x(t) 为该机制-N产生的周期信号，x0(t) 为信号的初始值，即周期信号 x(t) 第一个周期的值。我们称 1-q为产生多项式。式 (1) 所表示的周期信号产生机制如图 1 所示。依据以上周期信号的产生方式，我们可以构造周期反馈环节00070008这里，v(t

12、),u(t) 分别为器的输入和输出信号，u(t) 又称为信号。重复器包含周期反馈环节和 e/v 信号变换环节两部分，e/v 信号变换环节可写为 v(t) 88说明书CN 103812368 A2/17 页f(e(t)。式 (2) 所表示的周期反馈环节如图 2 所示。这样，式 (2) 又可写成0009u(t) u(t-N)+v(e(t-N)0010由式 (3) 可以看出，实现重复据。(3)器时，需u(t-N) 及 e(t-N) 整个周期的数0011引起人们的是时滞内模的有限阶近似或有限阶内模。例如，连续内模的有限维近似、拟前馈方法 (PFF) 以有限阶多项式建模带限干扰、梳状滤波器被用作离散时滞

13、内模。更简单的情形是器的内存需求是实时正弦信号的跟踪/ 抑制问题，只构造正弦内模便可达目的。减少要解决的一个重要问题。Ramon 等设计的奇次谐波重复器有效利用信号的半周期对称性，在频域中推导出半周期对称信号的产生器。采用这种产生器使得内存占用量减小了一半。由于其仅仅考虑频域因素，而信号对称性往往以时域刻画，因此，对于更为复杂的对称性信号并不能进行有效处理，导致存在内存占用量仍然较大的技术缺陷。发明内容0012为了克服已有整周期重复器以及半周期重复器不能有效处理更为复杂的对称性信号、内存占用量较大的不足，本发明提供一种用于逆变器的四分之一周期重复器，以便有效处理更为复杂的对称信号，显著减少内存

14、占用空间。0013本发明采用的技术方案是 ：0014用于逆变器的四分之一周期重复r(t)，存在如下两种对称情况0015器，设定具有 1/4 周期对称性的参考信号p1.且 t N/4 ；或00160017p2.0018且 t N/4，其中，0019N 为参考信号周期 ；r0(t) 为信号的初始值，即周期信号第一个 1/4 周期的值，在区0020间t N/4 上恒取零值。这里，需根据具体情况当前时刻处在一个周期中的具置，然后依据 1/4 周期对称特性这里的“±”是取“+”还是取“-”。设定 1/4 周期反馈环节，对于不同情况，重复器的一般结构可分别表达为 ：对002199说明书CN 10

15、3812368 A3/17 页于情形 p1，00220023且 t N/4 ；对于情形 p2，00240025且t N/4，其中，u(t) 是重复器的输出信号，v(t) 是周期反馈环节的输入信号，经 e/v 信号转换环节得到。转换方式。系统具体模型，依据吸引律方法，可以得到 e/v 信号的进一步地，所述参考信号为正弦信号，当 t N/4，其 1/4 周期对称特性为00260027根据正弦信号的对称特性，当 t N/4，重复器的周期反馈环节为002800290030构造下述连续吸引律0031其中，1 0, 0,0 1 ；e(t) 为跟踪误差信号。式 (10) 是有限时0032间吸引律，其到达时间

16、为00330034连续吸引律 (10) 的离散化形式为1100说明书CN 103812368 A4/17 页00350036其中，0 1, 0,0 1。为了提高系统抗周期干扰的能力，可将离散吸引律 (12) 修正为00370038其 中， 对 于 情 形 p1，；对 于 情 形 p2，d(t+1) 为等效扰动，d*(t+1) 为等效扰动的补偿信号 ；w(t+1)为系统扰动项。0039逆变器动态特性模型可表达为如下形式 ( 也适用此模型所表达的其它周期运行过程 ) ：0040y(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1) b1u(t)+b2u(t-1)+w(t+1)(14)0041其中，y(t)

17、表示 t 时刻输出，u(t) 表示 t 时刻信号。据此，可给出 e/v 变换环节的具体表达式为 ：量，w(t+1) 为 t+1 时刻的扰动对于情形 p1，0042004300440045对于情形 p2，1111说明书CN103812368A5/17 页对于逆变器的参考信号为正弦信号004600470048其中，z(t) r(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1)-b2u(t-1)，e(t) r(t)-y(t)。0049重复器设计完成之后，1/4 周期重复器的性能可通过以下表征收敛过程的指标加以衡量，这些指标是单调减区域边界 MDR，绝对吸引层边界 AAL，稳态误差带边界 SSE，其具体表达式

18、为1122说明书CN 103812368 A6/17 页1) 单调减区域 (MDR)MDR maxMDR1,MDR2005000510052(18)式中，MDR1，MDR2 为正实数，满足00532) 绝对吸引层 (AAL)AAL maxAAL1,AAL2005400550056(20)式中，AAL1，AAL2 为正实数，可由下式确定00570058005900603) 稳态误差带 (SSE)a. 当 SSE 时SSE maxSSE1,(22)其中 SSE1 是方程最大正实数解0061b. 当 0 SSE 时SSE maxSSE2,SSE300620063(23)其中 SSE2SSE3 分别，

19、的最大实数解。0064 为方程实数解。00651/4 周期重复器的可调整参数包括 ,，参数整定可依据上述的表征系0066统收敛性能指标进行。0067本发明给出的吸引律方法也适用于整周期重复。当 t N 时，其参考信号对1133说明书CN 103812368 A7/17 页称特性为r(t) r(t-N)+r0(t)(24)00680069值 ；其其中，r0(t) 为信号的初始值，即周期信号第一个周期的值，在区间 t N 上恒取零器表达式为0070其中，z(t) r(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1)-b2u(t-1) ；其边界条件与 1/4 周期重复控0071制边界条件相同，在此不在赘述。

20、本发明给出的吸引律方法也适用于反馈。当 t 1 时，其参考信号满足007200730074值 ；其r(t) r(t-1)+r0(t)(26)其中，r0(t) 为信号的初始值，即周期信号第一个周期的值，在区间 t 1 上恒取零器为0075其中，z(t) r(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1)-b2u(t-1)。00760077本发明的技术构思是，目前的重复器方法设计多集中于频域设计，而信号对称特性却 表现在时域中。因此，时域设计方法在设计重复处，设计出的器更简洁、直观。器时更为直接且具有独到之0078本发明具有 1/4 周期对称特性的参考信号，给出 1/4 周期重复器的时域设计。1/4 周

21、期重复器可进一步显著减少内存的占用空间，它的内存需求只是整周期重复器的四分之一 ；给出的设计方法依据信号在不同时间区间的不同对称特性设计重复器，每 1/4 周期对信号进行修正，实现对于相同周期特性干扰信号的完全抑制。而且与整周期重复器相比，响应时间更快，有益于扰动消除。0079本发明能有效处理更为复杂的对称参考信号，并大大减少内存占用空间，兼有快速收敛性能干扰抑制和高精度。附图说明0080图 1 为周期信号发生器方框图。0081图 2 为周期反馈环节方框图。0082图 3对 p2 情况。0083图 4发明提供 1/4 周期信号发生器方框图，其中图 3ap1 情况，图 3b 针发明给出的参考信号

22、各种类型举例图，其中图 4a发明给出的具有1/4 周期对称性的参考信号各种类型举例，合计 60 种情况 ；图 4b 为可等效为二分之一对称特性参考信号类型，合计 4 种。1144说明书CN 103812368 A8/17 页0084图 5p2 情况。0085图 6p2 情况。0086图 70087图 80088图 90089图 100090图 110091图 120092图 13发明提供 1/4 周期反馈环节方框图，其中图 5ap1 情况，图 5b发明提供的 1/4 周期重复系统方框图，其中图 6ap1 情况，图 6b发明实施例中逆变器系统框图。发明实施例中逆变器原理框图。发明实施例中采用反馈

23、时的误差信号。发明实施例中采用整周期重复 发明实施例中采用整周期重复 发明实施例中采用 1/4 周期重复发明实施例中采用 1/4 周期重复时误差信号。时产生的信号。时误差信号。时产生的信号。具体实施方式下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步描述。参照图 3 图 8，用于逆变器的四分之一周期重复第一步 . 确定 1/4 周期参考信号00930094009500960097器。具有 1/4 周期对称性的周期参考信号的产生可采用如下机制为对于情形 p1009800990100且 t N/4 ；对于情形 p20101且 t N/4。1/4 周期参考信号的产生机制如图 3 所示。该机制下产生的 1/4

24、 周期参考信号如010201031155说明书CN 103812368 A9/17 页图 4 所示，这里，r0(t) 为信号的初始值，即周期信号第一个 1/4 周期的值，在区间 t N/4上恒取零值 ；参考信号的四分之一周期对称性，共种情况，其中具备四分之一对称特性的有 60 种情况，如图 4a ；可等效为满足二分之一对称特性的有 4 种，如图 4b。正弦参考信号，当 t N/4，其 1/4 周期对称性的具体产生机制可以表示为0104010501060107第二步 . 设计 1/4 周期重复器利用该产生机制，设计的 1/4 周期重复器对应一般形式分别为 ：对于情形 p10108且 t N/4

25、；对于情形 p201090110且 t N/4。其所表示的周期反馈环节如图 5 所示。正弦参考信号，当 t N/4，其 1/4 周期重复01110112器的反馈环节为1166说明书CN 103812368 A10/17 页01130114011501160117第三步 . 确定被控对象模型为了给出器中的 v(t)，以如下逆变器系统模型为例 ：y(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1) b1u(t)+b2u(t-1)+w(t+1)(7)其中，参数 a1,a2,b1,b2 可通过机理建模或实验建模获得 ；扰动信号 w(t) 具有 1/4周期对称性 ；给定参考信号 r(t)，输出信号 y(t)，跟

26、踪误差 e(t) r(t)-y(t)。0118第四步 . 构造离散系统跟踪误差吸引律方程0119其 中， 对 于 p1 情 况；需， 对 于 p2 情 况置，然后依据 1/40120当前时刻处在一个周期中的具周期对称特性这里的“±”是取“+”还是取“-”。01210122第五步 . 给出 e/v 变换环节的具体 v(t) 表达式 ：对于情形 p11177说明书CN103812368A11/17 页01230124对于情形 p2对于逆变器的参考信号为正弦信号012501261188说明书CN103812368A12/17 页0127其中，z(t) r(t+1)+a1y(t)+a2y(t

27、-1)-b2u(t-1)，跟踪误差 e(t) r(t)-y(t)。0128采用该重复器的系统框图如图 6 所示。包括由误差信号 e(t) 转化为控制信号 v(t) 的函数 f(e(t)，1/4 周期重复器模块 101 和受控系统模块 102。0129第六步 .0130重复器参数整定器设计完成之后，需要整定其器参数。其可调整参数包括,，具体的参数整定工作可依据下述表征系统收敛性的指标进行。为表征跟踪误差收敛过程，本发明引入单调减区域，绝对吸引层和稳态误差带概念，具体定义如下 ：单调减区域 MDR01310132绝对吸引层 AAL013301340135稳态误差带 SSE01361) 单调减区域

28、(MDR)MDR maxMDR1,MDR2013701380139(15)式中，MDR1，MDR2 为正实数，且满足1199说明书CN 103812368 A13/17 页01402) 绝对吸引层 (AAL)AAL maxAAL1,AAL2014101420143(17)式中，AAL1，AAL2 为正实数，可由下式确定，01443) 稳态误差带 (SSE)a. 当 SSE 时SSE maxSSE1,014501460147(19)其中 SSE1 是方程最大正实数解014801490150b. 当 0 SSE 时SSE maxSSE2,SSE3(20)其中 SSE2,SSE3，分别的最大实数解。

29、0151 为方程实数解0152对于上述 14 周期重复器设计做以下说明 ：015301541) 吸引律中引入 d*(t+1) 反映了对于给定周期模式的扰动信号的抑制措施，d*(t+1) 为 d(t+1) 的补偿值，用于补偿非周期性扰动。0155一种直接的补偿值确定方法是 d*(t+1) d(t)。0156这里，提供一种 d(t) 界已知时的补偿值确定方法。设等效扰动 d(t) 的上、下界分别为 du、dl，则 d(t+1) 满足不等式2200说明书CN 103812368 A14/17 页0157dl d(t) du0158记则，0159可取016001612) 式 (8)，(9)，(10)

30、与 (11) 中，e(t),y(t),y(t-1),y(t-N/4+1),y(t-N/4),y(t-0162N/4-1), 均可通过测量得到，u(t-1),u(t-N/4),u(t-N/4-1) 为信号的值，可从内存中0163。3) 对于反馈，其参考信号对称特性为 r(t) r(t-1)。因此，本发明中提出的14 周期重复器也适用于常值调节问题，此时等效扰动为 d(t) w(t)-w(t-1)。4) 整周期重复，其参考信号对称特性为 r(t) r(t-N)。等效扰动为 d(t) 0164w(t)-w(t-N)，本发明同样也适用于整周期重复。5) 本发明所提出的方法也适用于五参数模型 ( 逆变器

31、模型通常采用五参数模0165型 )。五参数模型如下y(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1) b1u(t)+b2u(t-1)+c1+w(t+1)(21)0166式中，c1 为常值。取将其代入式 (21),01670168取01690170即01710172017301740175即式 (22) 可化为y(t+1) -a1y(t)-a2y(t-1)+b1uc(t)+b2uc(t-1)+d(t+1)(25)利用式(25)，可将五参数模型变换为四参数模型。这样，关于五参数模型的重复控制器设计可参照四参数模型进行。01766) 上述14 周期重复器二阶系统(7) 给出，按照相同的方法同样可给出高阶系

32、统的设计结果。01770178实施例参考信号为正弦信号的重复器设计，根据图 2 所示，正弦信号的 1/4 周期对称特性为式 (3)，根据此信号的对称特性，重复器可设计为式 (6)。所采用的逆变器系统由给定信号部分，0179本实施例逆变器输出波形进行1/4 周期重复器，PWM 调制部分，逆变器主电路（包含后级的 LC 滤波电路等）及检测电路。其中给定信号，重复器以及 PWM 调制模块三个部分均由DSP 实现，其余部分均2211说明书CN 103812368 A15/17 页由硬件电路实现。整个系统由 DSP 给定需要输出的期望信号，这部分相当于整个闭环系统的输入信号。经过 PWM 调制后变为可以

33、驱动逆变器桥式电路开关管的高低脉冲信号，逆变器输出经LC 滤波电路还原成正弦信号，由检测电路采样返回至DSP，经过1/4 周期重复作用后修正输入信号，从而实现逆变器波形跟踪。0180下面给出逆变器 1/4 周期重复器的设计过程及实现结果，并与常规反馈及整周期重复效果进行对比。0181首先建立系统数学模型。本实施例所使用的逆变器系统如图 7。包括 e/v 变换环节 f(e(t)，周期反馈环节，周期信号 PWM 调制模块 201，逆变器主电路 202，检测电路203。其中，前两者1/4 周期重复器 301，后三者逆变器系统 302。0182将逆变器主电路及后级 LC 滤波电路、采样电路作为对象进行

34、建模，得到以下二阶差分方程模型0183y(t+1)+a1y(t)+a2y(t-1) b1u(t)+b2u(t-1)+w(t+1)(29)0184其中 y(t) 表示t 时刻逆变器输出电压，u(t) 表示t 时刻逆变器的量，w(t+1)表示系统不确定特性，由外部干扰、量测噪声及未建模特性组成。模型中的参数 a1,a2,b1,b2由机理建模得到，其具体取值为a1 -0.5385,a2 0.2504,b1 0.3606,b2 0.235801850186反馈：式 (6)，取 d(t+1) w(t+1)-w(t)，01871/4 周期重复：给定参考信号 r(t)，系统跟踪误差动态方程为01880189019001911/4 周期重复器中的 e/v 信号转换环节设计如下式2222说明书CN103812368A16/17 页实施例中，逆变器的参考信号 r(k) 20sin(2fkTs)为伏特 (V)，信号频率0192f 50Hz，采样时间 Ts 0.0001s，式 (15) 中，取 0.3, 0.01, 0.5。置扰动信号为01930194 其中，前项为随机扰动信号，后项用于模拟逆变器奇次谐波扰动信号。此时，d(t+1) 上下界数值相等，符号相反。因此，可取 d*(t+1) 0，误差 e(t) 将收敛