《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新穎的自適應(yīng)PWM逆變電源
張俊,胡育文
摘要: 詳細(xì)介紹一種新穎的PWM逆變電源的數(shù)字控制方法——自適應(yīng)重復(fù)控制。該方法的應(yīng)用使系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力,能自動(dòng)地消除由于未知的負(fù)載周期性擾動(dòng)而產(chǎn)生的輸出交流周期畸變,這為解決逆變電源在整流性負(fù)載下輸出波形畸變較大的問題提供了一條良好的途徑。
Abstract:
Key words :

  1引言

閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)的逆變電源在各種類型的交流供電系統(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[1]、無差拍控制法[2][3]、狀態(tài)反饋控制法[4],獲得了較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是這類方法只能使系統(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),電路的開關(guān)頻率較高,且隨精度要求的提高而提高,而且開關(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)[5]。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[3],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)行過程中會(huì)發(fā)生變化的情況,這無疑為解決逆變電源因負(fù)載變化而產(chǎn)生波形畸變的問題提供了一條思路。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

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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)為干擾信號(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)可表示為若Q(z-1)=1且P(z-1)是穩(wěn)定的,則

|H(jω)|=0(ω=2nπ/N,n=0,…,N-1)

這表明這些周期性誤差能被重復(fù)控制器所消除,在這種情況下就能獲得無誤差的跟隨。但是,這就要求有很強(qiáng)的穩(wěn)定度。在實(shí)際應(yīng)用中,可以減弱這一條件,如令:

|H(jω)|<μ (jω ) ( ω="2nπ" /N, n="0," ..., N- 1)

這里μ(jω)為周期性誤差的允許范圍。

(2)自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器

在重復(fù)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器,就構(gòu)成自適應(yīng)重復(fù)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器從本質(zhì)上講是一種算法,它使系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力,能根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)特性調(diào)整控制參數(shù),以達(dá)到所期望的性能指標(biāo)。在本系統(tǒng)中,自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器利用遞推最小二乘算法(RLSE),實(shí)時(shí)辨識(shí)系統(tǒng)受控對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù),從而依據(jù)期望的性能指標(biāo)對(duì)離散重復(fù)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖2,在本控制方案中,首先構(gòu)成以圖1中信號(hào)U1,U2為反饋的閉環(huán),將該閉環(huán)的傳函記為P(z-1),并近似認(rèn)為其為二階時(shí)變結(jié)構(gòu),即

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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。

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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。

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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。

總的來說,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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