逆变电源数字控制技术的应用(1)

1 逆变电源数字控制技术的发展 1.1 高性能逆变电源与数字控制技术 随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能提出了更高的要求，高性能的逆变电源必须满足：高输入功率因数，低输出阻抗；暂态响应快速，稳态精度高；稳定性高，效率高，可靠性高；电磁干扰低；网络功能完善。要实现这些功能，离不开数字控制技术。 1.2 传统逆变电源控制技术 1.2.1 传统逆变电源控制技术的缺点 传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统。虽然模拟控制技术已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点的漂移，导致系统参数的漂移。模拟方式很难实现逆变电源的并联，所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。 1.2.2 传统逆变电源控制技术的改进 以前为了改善系统的控制性能，通过模拟、数字(A/D)转换器，将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口（pulse width modulation,　PWM）发出开关控制信号。微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据，显示或传送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器运算速度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件。近年来随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器(digital signal processor,SP)技术的发展，使逆变电源的全数字控制成为现实。SP能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，将输出谐波达到可以接受的水平。 2 逆变电源数字化控制技术的现状 2.1 逆变电源控制技术数字化、智能化、网络化 随着电机控制专用SP的出现及其控制理论的普遍发展，逆变电源控制技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展，逆变电源的数字控制技术发生了一次大飞跃。逆变电源数字化控制的优点在于各种控制策略硬件电路基本是一致的，要实现各种控制策略，无需变动硬件电路，只需修改软件即可，大大缩短了开发周期，而且可以应用一些新型的复杂控制策略，各电源之间的一致性很好，这样为逆变电源的进一步发展提供了基础，而且易组成可靠性高的大规模逆变电源并联运行系统。 2.2 逆变电源数字化发展存在的难点 数字化是逆变电源发展的主要方向，但还是需要解决以下一些难题： a) 逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。 b) 逆变电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。 c) 对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间，一般是在每个开关周期的开始或上个周期之末来确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整，所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注。 3 逆变电源数字化控制技术 逆变电源数字控制方法成为当今电源研究领域的一个热点，与数字化相对应，各种各样的离散控制方法也纷纷涌现，包括数字比例-积分-微分（PI）调节器控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制以及各种神经网络控制等，从而有力地推动逆变电源控制技术的发展。 3.1 数字PI控制 数字PI控制以参数简单、易整定等特点得到了广泛应用。逆变器采用模拟数字PI控制时，如果只是输出电压的瞬时值反馈，其动态性能和非线性负载时的性能不会令人满意；如果是输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈，其性能将得到较大改进，然而，庞大的模拟控制电路使控制系统的可靠性下降，调试复杂，不易于整定。数字信号处理芯片的出现使这个问题得以迅速解决，如今各种补偿措施及控制方式可以很方便地应用于逆变电源的数字PI控制中，控制器参数修改方便，调试简单。 但是，数字PI控制算法应用到逆变电源的控制中，不可避免地产生了一些局限性：一方面是系统的采样量化误差，降低了算法的分辨率，使得PI调节器的精度变差；另一方面，采样和计算延时使被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PI控制器设计困难，稳定性减小，随着高速SP及高速A/的发展，数字PI控制技术在逆变电源的控制中会有进一步的应用。 3.2 滑模变结构控制 滑模变结构控制（slidingmode variable structure control，SVSC）最显著的特点是对参数变化和外部扰动不敏感，即鲁棒性强，加上其固有的开关特性，因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。 基于微处理器的离散滑模控制使逆变器输出波形有较好的暂态响应，但系统的稳态性能不是很理想。具有前馈控制的离散滑模控制系统，暂态性能和稳态精度得到提高（见图1），但如果系统过载时，滑模控制器的负担将变得非常重。自矫正离散滑模控制可以解决这个问题。