【導(dǎo)讀】求，數(shù)字化、高效率、高性能是專用逆變電源的發(fā)展方向。本論文針對這些要求，提出。一種新穎的逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以DSP2407A為控制核心，采用改進(jìn)型重復(fù)控制算法，進(jìn)行了400Hz逆變電源的研制。本文對逆變主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，然后重點(diǎn)以Dsp2407A. 逆變電路采用直流變換器型高。電壓應(yīng)力低且實(shí)現(xiàn)ZVS、抗輸入電壓擾動能力等優(yōu)點(diǎn)。目前市場上的產(chǎn)品大都采用模擬控制方式，其中存在控電路元件多、靈活性差、一。致性差等很多問題。本論文針對這些問題，采用數(shù)字控制器，具有硬件電路簡單，系統(tǒng)。升級方便等特點(diǎn)，

　　

【正文】 制是近幾年才發(fā)展起來的一種新型逆變電源控制方案。該控制方法具有良好的穩(wěn)態(tài)輸出特性和非常好的魯捧性，但由于自身的缺陷，控制上有一個(gè)輸出周期的延遲，因而動態(tài)響應(yīng)效果非常差。從上述分析可以看出，每一種控制方案都有其特長，但都在某些方面存在某些問題。因此，一種必然的發(fā)展趨勢是各種控制方案互相滲透，取長補(bǔ)短，互濟(jì)優(yōu)勢，結(jié)合成復(fù)合的控制方案。本文詳細(xì)分析了數(shù) 字 PID控制和重復(fù)控制兩種控制方法，并將它們結(jié)合在一起，形成了一種新的改進(jìn)行型重復(fù)控制方案 [11]。 數(shù)字 PID控制技術(shù) PID控制算法是應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的一種控制技術(shù)，已經(jīng)在模擬控制逆變電源系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。 PID控制器是一種線性控制器。算法蘊(yùn)含了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，其中，比例 P代表了當(dāng)前的信息，起校正動態(tài)偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。積分 J代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 微分 D在 信號變化時(shí)有超前控制作用，代表了將來的信息，反映了誤差變化率，在過程開 始時(shí)強(qiáng)迫過程加速進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。模擬式 PID控制算法的表達(dá)式為 (51)式， ])()(1)([)(dt tdedtteteKtU DiP ? ????? （ 51） 其中， u(t)為控制器的輸出信號， e(t)為誤差信號， PK 是比例系數(shù)， Ti是積分時(shí)間常 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 數(shù)， dT 是微分時(shí)問常數(shù)。寫成傳遞函數(shù)的形式 如 (52)式 )11()( )()( sSKsE sUsG DiP ?????? （ 52） 控制結(jié)構(gòu)圖如 圖 51所示。 圖 51 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 以和式代替積分，以增量代替微分，將式離散化， 得到 (53)式 ?? ?????KjP kekekdjekikeKkU 0 )]1()([)()()( （ 53） (1)跟蹤信號為 快速變化的 J下弦波，理論上系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng) ,不可能做到無靜差跟蹤。 (2)系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的控制精度。 (3)采樣和計(jì)算延時(shí)使 得被控系統(tǒng)成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統(tǒng)，造成了 PID控制器穩(wěn)定域減少，增加了設(shè)計(jì)難度。所以在逆變電源的控制當(dāng)中僅僅靠 PID數(shù)字控制還不能達(dá)到較好的效果，所以還需要采取其它的辦法。 重復(fù)控制技術(shù) 重復(fù)控制的基本思想 重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制策略，內(nèi)模原理指出：如果希望控制系統(tǒng)對某一參考指令實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，則產(chǎn)生該參考指令的模型必須包含在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部。積分控制就是內(nèi)模原理的一個(gè)典型應(yīng)用：眾所周知，含 有一階積分環(huán)節(jié)的控制 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對階躍型指令的無靜差跟蹤。積分環(huán)節(jié) 1/S正是 一個(gè)階躍信號保持器，這才是它可以實(shí)現(xiàn)對階躍指令的無靜差跟蹤的根本原因。內(nèi)模的作用類似于一個(gè)帶記憶的控制信號保持器，當(dāng)誤差衰減到零時(shí)，它仍能維持一種適當(dāng)?shù)目刂谱饔?。以此類推，如果系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對正弦信號的無靜差跟蹤，那么正弦函數(shù)模型必須包含在穩(wěn)定的系統(tǒng)傳遞函數(shù)內(nèi) 。擾動信號都具有一個(gè)共同特征：在每一個(gè)基波周期都以完全相同的波形 重復(fù)出現(xiàn)。因此，重復(fù)控制采用“重復(fù)信號發(fā)生器”作為內(nèi)模，其 s域形式為 ： LSesGm ??? 1 1)( （ 54） 其 中 L為逆變器輸出基波周期。圖 52為其等效結(jié)構(gòu)圖，這是一個(gè)周期延遲正反饋環(huán)節(jié)，只要輸入信號以基波周期重復(fù)出現(xiàn)，該內(nèi)模的輸出就是對輸入信號的逐周期的累加。這所以稱其為重復(fù)信號發(fā)生器，是因?yàn)榧词馆敵鏊p至零，該內(nèi)模仍然會持續(xù)不斷的逐周期重復(fù)輸出與上周期波形相同的信號。這個(gè)周期信號保持器如果引到反饋控制系統(tǒng)內(nèi) 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 部，并通過補(bǔ)償環(huán)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定，那么就有可能在一個(gè)周期內(nèi)跟蹤給定和消除擾動。 圖 52 重復(fù)新號發(fā)生器（ S域形式） 當(dāng)這樣一個(gè)環(huán)節(jié)置于反饋控制系統(tǒng)的 前 向通道時(shí)，它起到的作用與積分環(huán)節(jié)是相似的，都是對誤差的一 種累加效果。只不過重復(fù)信號發(fā)生器是對誤差進(jìn)行以周期為步長的累加，而積分壞節(jié)是對誤差進(jìn)行連續(xù)時(shí)聞的累加。與積分控制機(jī)理類似，包含重復(fù)信號發(fā)生器的逆變電源波形控制系統(tǒng)，當(dāng)指令波形和反饋波形不一致時(shí)，控制量 (即 SPWM調(diào)制信號 )幅度會逐周期、無限制的變化 (暫不考慮限幅的作用 )。若系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則可以斷定穩(wěn)念時(shí)誤差為零，即反饋波形與指令波形重合，既沒有幅值偏差也沒有相位滯后。逆變電源重復(fù)控制要求輸出電壓誤差為零時(shí)，內(nèi)模仍能產(chǎn)生逐周期重復(fù)的控制作用，以消除重復(fù)性電流擾動的影響。實(shí)際應(yīng)用中重復(fù)控制全都是以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的 ，重復(fù)信號發(fā)生器的離散形式是 (55)式 : NzzGm ??? 1 1)( （ 55） 其等效結(jié)構(gòu)圖參見圖 53,每周期采樣次數(shù)為 N，以 N個(gè)單拍延時(shí)環(huán)節(jié) z1的串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)周期延時(shí)，這意味著微處理器要為實(shí)現(xiàn)重復(fù)信號發(fā)生器留出 N個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元存儲一個(gè)周期的采樣值，這在以 DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)中是很容易實(shí)現(xiàn)的。 圖 53 重復(fù)信號發(fā)生器（ Z域形式） 重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu) 重復(fù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 54如圖所示，其中虛線框內(nèi)的結(jié)構(gòu)即為重復(fù)控制 器。圖54中， f為輸入正弦波參考信號， e為誤差信號， Y為輸出信號， cr 為重復(fù)控制器疊加于輸入 r上的校正量， PB（ z） 是控制對象的傳遞函數(shù)。當(dāng)誤差 e周期的重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，控制器的輸出逐周期累加，當(dāng) e為零時(shí)，控制器的輸出并不消失，只是停止變化，維持并周期性的輸出上周期的波形．重復(fù)控制器可以看作是一個(gè)嵌入部件，它檢測 系統(tǒng)的重復(fù)性誤差 c，然后通過在原有指令上疊加校正量 cr 來減小誤差。下面將對重復(fù)控制器的每一部分作詳細(xì)的介紹。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 54 重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)圖 （ 1） Q(z)濾波器 圖 54所示為離散化的重復(fù)信號發(fā)生器 ,可視為以周期為步長的純積分環(huán)節(jié)。設(shè)置了濾波器 O(z),它可以是一個(gè)低通濾波器 ,也可以簡單的取為一個(gè)略小于 1的常數(shù)，以減弱積分效果 ,能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 2） 周期延遲環(huán)節(jié) z 周期延時(shí)環(huán)節(jié) z使控制動作延時(shí)一 個(gè)周期進(jìn)行 ,即本周期檢測到的誤差信息在下一周期才開始影響控制量 ,這將使系統(tǒng)下一周期的控制作用具有一定的超前性。 （ 3） 補(bǔ)償器 S(z) 補(bǔ)償器 S(z)是針對對象 PB（ z） 的特性而設(shè) 置 的 ,它是重復(fù)控制器重要的部分，對重復(fù)控制系 統(tǒng)的性能好壞有決定性影響。在獲知了上一周期的誤差信息后 ,到了下一周期該如何給出合適的控制量 ,這就是補(bǔ)償器 S(z)要解決的任務(wù)。為了 迅速有效地把誤差抵消掉。所給出的控制量必需是相位正確、幅值恰當(dāng) ,二者缺一不可?？刂屏康?相位或幅值不合適，都會影響波形校正效果甚至系統(tǒng)的穩(wěn)定。由此可知 ,S(z)的作用就是提供相位補(bǔ)償和幅值補(bǔ)償，以保證重復(fù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，并在此基礎(chǔ)上改善波形校正效果。顯然，補(bǔ)償器 S(z)的相頻特性最好是對象 PB（ z） 相頻特性的逆特性 ,對消控制對象 PB（ z） 所有的零、極點(diǎn) ,此時(shí) ,基于檢測到的誤差幅值、相 位，系統(tǒng)即可依據(jù) S(z)求出合適的控制量，在一個(gè)周期時(shí)問內(nèi)完全消除誤差。 對于幅值補(bǔ)償，只要適當(dāng)調(diào)整補(bǔ)償器的增益，就可以達(dá)到需要的補(bǔ)償量。所以關(guān)鍵是相位補(bǔ)償問題。通過前面分析，我們知道控制對象逆變器 PB(z)是一個(gè)二階線性系統(tǒng)，具有相位滯后的特性，利用超前環(huán)節(jié) KZ 的超 前 相位特性來補(bǔ)償控制對象的相位滯后。該方法簡單有效，與低通濾波器相結(jié)合可以構(gòu)成魯棒性較好的控制器。由于系統(tǒng)前向通道設(shè)置了周期延遲環(huán)節(jié) ZN，使得前向通道上的其他環(huán)節(jié)可以等效地實(shí)現(xiàn)分子階次高于分母階次 ，理 論上說這個(gè)階次差可達(dá) N。這一現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是：由于假定了指令和擾動為重復(fù)性的，所以本來無法“超前實(shí)施”的控制量，可以通過延遲至下一周期適當(dāng)時(shí)刻而獲得超前性?？偟恼f來，補(bǔ)償器 S(z)要達(dá)到的目的是使校正后的對象中低增益接近于 l。而高頻增益則盡快下降，同時(shí)系統(tǒng)在整個(gè)中低頻前向通道的總相移盡量小。 重復(fù)控制器的特點(diǎn) 逆變器 采用重復(fù)控制的目的是為了消除因整流橋負(fù)載引起的輸出電壓波形周期性 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 的畸變。其控制思想是假定前一周期出現(xiàn)的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時(shí)刻再次出現(xiàn)，控制器根據(jù)參考信號和輸出電壓反饋信號 的誤差來確定所需的校正信號，然后，在下一個(gè)基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸 出電壓的周期性畸變。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。 重復(fù)控制雖然可以保證輸出波形精確跟蹤給定，但它卻有一個(gè)致命的弱點(diǎn)。由圖 54可以看出，重復(fù)控制得到的控制指令并不是立即輸出，而是滯后一個(gè)參考周期后才輸出。這樣，如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)干擾，消除干擾對輸出的影響至少要一個(gè)參考周期。干擾出現(xiàn)后的一個(gè)參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對干擾并不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，這一個(gè)周期系統(tǒng)近乎處于開環(huán)控制狀態(tài)。最嚴(yán)重的情況是輸入直流電壓突然跌 落或上升，如圖，此后一個(gè)周期 Y基本保持不變，必然造成輸出交流電壓跟隨直流輸入電壓出現(xiàn)大范圍跌落或上升。因此，如何解決重復(fù)控制動態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，是重復(fù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。 [8] 改進(jìn)型重復(fù)控制 綜上所述，數(shù)字 PID控制和重復(fù)控制應(yīng)用到正弦波逆變電源系統(tǒng)中，既有自身的優(yōu)勢和特長，又都有局限性和不足。數(shù)字 PID控制對跟蹤誤差立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，響應(yīng)速度較快，但由于 前 述因素的影響，跟蹤精度不高，波形畸變嚴(yán)重。重復(fù)控制具有對正弦給定信號近乎無靜差跟蹤的優(yōu)勢，輸出波形畸變率低，但由于對誤差的調(diào)節(jié)作用滯后 一個(gè)給定信號周期，達(dá)不到系統(tǒng)對響應(yīng)速度的要求。根據(jù)這種情況，本文提出了一種基于PID控制和重復(fù)控制的改進(jìn)型重復(fù)控制策略，保證了系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度和較高的輸出波形質(zhì)量?；?PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制框圖如圖 55所示。該方案中，PID調(diào)節(jié)器和重復(fù)控制器并聯(lián)在控制系統(tǒng)的前向通道中，共同對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生影響。一方面，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的跟蹤誤差小， PID調(diào)節(jié)器輸出的控制作用很小，基本上不對系統(tǒng)產(chǎn)生影響．這時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行所需的控制作用大多由重復(fù)控制器提供，控制作用是 N個(gè)積分調(diào)節(jié)器對歷史誤差累加作 用的結(jié)果。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動作用，如系統(tǒng)載荷突變或直流電壓突變，跟蹤誤差突然變大，由于有一個(gè)參考周期的延時(shí)，重復(fù)控制器輸出不產(chǎn)生變化，但 PID控制器卻感受到跟蹤誤差的突變并立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。這樣，在這一個(gè)周期中，雖然輸出波形質(zhì)量得不到很好保證但輸出電壓卻不至于產(chǎn)生突變。一個(gè)周期過后，重復(fù)控制器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用使跟蹤誤差減小。隨著跟蹤誤差減小， PID調(diào)節(jié)器的控制作用逐漸減弱，直至系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)控制理論，復(fù)合控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只要 PID控制器和重復(fù)控制器單獨(dú)起作用時(shí)系 統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么復(fù)合控制作用 的結(jié)果系統(tǒng)仍然是 的。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 55 改進(jìn)型重復(fù)控制器 改進(jìn)型重復(fù)控制器參數(shù)設(shè)定 改進(jìn)型重復(fù)控制器參數(shù)的設(shè)定可以分為兩部分，即 PID的參數(shù)設(shè)定和重復(fù)控制參數(shù)的設(shè)定，在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中這兩部分可分別設(shè)計(jì)，即先設(shè)計(jì) PID控制器各參數(shù)，然后加入重復(fù)控制器并調(diào)整各個(gè)參數(shù)。 PID控制器參數(shù)的設(shè)計(jì) 數(shù)字 PID控制器的主要參數(shù)是 PK 、 iK 和 DK 。 如何確定控制器的參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)具有滿意的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。確定數(shù)字 PID控制器參數(shù)，可以通過理論分析的方法，也可以采用實(shí)驗(yàn)方法，一般采用試湊法。這是到目 前 為止應(yīng)用最為廣泛，最為有效的一種 PID參數(shù)調(diào)整方法。使系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，先采用比例控制器，PK 由小到大 逐漸改變直到系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。如果此時(shí)可以得到滿意的系統(tǒng)特性，表明只采用比例調(diào)節(jié)器即可。如果系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)念精度不 能滿足要求，可采用 Pl調(diào)節(jié)器。開始時(shí)把參數(shù) iK 設(shè)的小一些，然后反復(fù)調(diào)整 PK 、 iK ，直到達(dá)到滿意的性能為止，在本設(shè)計(jì)中采用 PI控制能達(dá)較好的動態(tài)性能。 重復(fù)控制器的參數(shù) 重復(fù)控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)，參數(shù)的設(shè)定主要是 S(z)即補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，它主要包括幅值的補(bǔ)償及相位的補(bǔ)償。幅值的補(bǔ)償即調(diào)整增益，相當(dāng)于設(shè)定一個(gè)比例環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)弱的話，則穩(wěn)定裕度增大，同時(shí)收斂速度變慢且穩(wěn)態(tài)誤差有所上升， 需要多于一個(gè)周期才能消除誤差。在實(shí)際調(diào)試過程當(dāng)中，先將比例環(huán)節(jié)小一點(diǎn)， 以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后逐漸加大。對于相位的補(bǔ)償十分重要，它決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相位的補(bǔ)償即加入超前環(huán)節(jié)，在控制周期內(nèi)提前發(fā)出控制指令，從而補(bǔ)償控制對象的相位滯后，在程序當(dāng)中補(bǔ)償量以 p來表示。在程序當(dāng)中分配 N個(gè)存儲單元用來存放誤差值， N為一個(gè)周期的采樣次數(shù) 100次。 改進(jìn)型重復(fù)控制前饋補(bǔ)償 為了提高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定裕量，本文應(yīng)用了基于 前 饋補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型重復(fù)控制方法，利用給定前饋改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤速度，減小了輸出電壓的畸變。系