【正文】 關(guān)誤差，二極管上電壓的平均值還是等于參考電壓。積分器在每個(gè)周期都會(huì)進(jìn)行復(fù)位，開關(guān)變量的瞬態(tài)變化只持續(xù)一個(gè)周期，所以開關(guān)變量的平均值和參考電壓之間沒(méi)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的誤差。單周期控制技術(shù)，這是一種非線性的大信號(hào)控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)控制開關(guān)變量的占空比，在一個(gè)周期內(nèi)使開關(guān)變量的平均值等于或正比于參考電壓。理論上講，它完全排除了輸入電壓干擾的影響，開關(guān)變量輸出的平均值在一個(gè)周期內(nèi)跟隨參考電壓，開關(guān)誤差在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償。單周期圖 44 開關(guān)誤差的補(bǔ)償 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 控制技術(shù)是十分通用的，它可以直接應(yīng)用于脈寬調(diào)制、諧振、或軟 開關(guān)轉(zhuǎn)化電路，既可以是電壓控制型，又可以電流控制型，既可以連續(xù)模式，又可以斷續(xù)模式。進(jìn)一步說(shuō)，它可以應(yīng)用于控制任何一個(gè)開關(guān)變量形式或轉(zhuǎn)換成開關(guān)變量形式的物理變量或抽象信號(hào)。 單周期控制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用 單周期控制技術(shù)是一種新型 PWM 技術(shù)，可應(yīng)用于 DC/DC 變換器、功率因數(shù)校正、有源濾波等領(lǐng)域，在逆變器控制中也得到了應(yīng)用。文 [13]對(duì)單周期控制單相全橋逆變器進(jìn)行了研究，給出了雙極性控制方式和單極性控制方式下的單周期控制電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；文 [14]提出了一種應(yīng)用單周期控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏最大功率跟 蹤的控制方案，整個(gè)系統(tǒng)利用一個(gè)單級(jí)功率電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤和逆變，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；文 [15]提出了一種改進(jìn)型單周控制技術(shù)并應(yīng)用于逆變電源中，對(duì)單周控制技術(shù)和 SPWM 技術(shù)進(jìn)行比較，指出單周控制技術(shù)更加優(yōu)越；文 [16]中給出了單周期控制三相全橋并網(wǎng)逆變器的兩種控制方案；文 [17]論證了單周期控制技術(shù)應(yīng)用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的可行性；文 [18]指出單周期控制技術(shù)和SVPWM 控制技術(shù)在輸出波形的質(zhì)量上要明顯優(yōu)于一般的 SPWM 控制技術(shù)。 數(shù)字單周期控制技術(shù) 單周期控制一般用模擬電路來(lái)實(shí) 現(xiàn)，也可以采用數(shù)字控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 與采用模擬電路實(shí)現(xiàn)單周期控制相比，采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)單周期控制有一定的優(yōu)越性： (1) 采用模擬電路實(shí)現(xiàn)單周期控制時(shí)，積分器不能瞬時(shí)復(fù)位，這會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)影響，采用數(shù)字控制方式可以避免這一問(wèn)題； (2) 采用模擬電路實(shí)現(xiàn)單周期控制時(shí)，積分器的時(shí)間常數(shù)會(huì)受到外界的影響，這會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一定影響，在利用多個(gè)復(fù)位積分電路時(shí)，積分器的時(shí)間常數(shù)不一致同樣也會(huì)給電路帶來(lái) 影響 ，采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)單周期控制可以避免這些問(wèn)題； (3) 采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)單周期控制更加靈活，在推導(dǎo)出系統(tǒng)的占空比控第 4 章 單周期控制技術(shù) 27 制方程后，根據(jù)方程可編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字算法；而采用模擬電路實(shí)現(xiàn)時(shí)需要對(duì)占空比的控制方程進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)化從而得到控制電路，而且在很多情況下控制電路的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的； (4) 采用數(shù)字控制方式更容易與其它控制方式相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合控制以提高系統(tǒng)整體性能； (5) 采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)單周期控制還可以發(fā)揮數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)，如實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、故障診斷和遠(yuǎn)程控制等功能。 然而采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)單周期控制時(shí)也存在一些問(wèn)題，數(shù)字控制的延時(shí)和誤差會(huì)給系統(tǒng)的整體性能帶來(lái)影響，這也是數(shù)字控制算法共有的問(wèn)題。 目前針對(duì)數(shù)字單周期控制技術(shù)已經(jīng)有所 研究，文 [19]提出了一種數(shù)字控制光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)方法，文 [20]提出了數(shù)字單周期控制 Boost PFC 變換器和全橋逆變器的控制算法。 文 [19]以單相全橋并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，建立了逆變器的單周開關(guān)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出了 PWM 調(diào)制的 占空比表達(dá)式，根據(jù)占空比表達(dá)式實(shí)現(xiàn)了數(shù)字單周期控制算法，并設(shè)計(jì) 了 3KW 的原理樣機(jī)，在不同功率下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性。文 [19]中的控制算法需要測(cè)量一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的平均值，文中指出在 PWM 波為中心對(duì)齊方式時(shí)，在一個(gè)周期中點(diǎn)處，電感 電流的瞬時(shí)值就是這個(gè)周期內(nèi)電感電流的平均值，利用 DSP 的同步采樣功能可以設(shè)定采樣點(diǎn)在一個(gè)周期的中心處，實(shí)現(xiàn)電感電流平均值的采樣。 文 [20]以 Boost 變換器為研究對(duì)象，根據(jù)模擬單周期控制 Boost PFC 變換器的工作原理推導(dǎo)出數(shù)字單周期控制 Boost PFC 變換器的占空比方程，并對(duì)模擬單周期控制 Boost PFC 變換器的工作波形進(jìn)行了分析，得出實(shí)現(xiàn)控制算法的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)電感電流峰值的采樣。文 [20]利用了 DSP 的同步采樣功能實(shí)現(xiàn)了電感電流峰值的采樣，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字單周控制 Boost PFC 算法，并設(shè)計(jì)了 300W 的原理樣機(jī)對(duì)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性。文 [20]也對(duì)單周期控制單相全橋逆變器進(jìn)行了研究，推導(dǎo)得到了雙極性控制方式下的占空比控制方程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字單周期控制算法，并設(shè)計(jì)了 400W 的原理樣機(jī)對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 可行 性。 文 [19]、 [20]都是通過(guò)數(shù)字算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的控制，與本文的基本思想是一致的。本文中單相逆變器的控制算法與文 [20]有所不同。采用文 [20]推導(dǎo)出的控制算法時(shí)，逆變器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，但是文 [20]中的控制 算法是在模擬單周期控制逆變器閉環(huán)工作的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得到的，所以該算法在一定程度上依賴于閉環(huán)調(diào)節(jié)器，逆變器采用該算法控制時(shí)，無(wú)法在開環(huán)情況下工作；本文直接從控制開關(guān)量平均值的角度出發(fā)，結(jié)合電路模型推導(dǎo)出了控制算法，思路相對(duì)要清晰一些，得到的控制算法與文 [20]也不同，采用本文的控制算法時(shí)，逆變器同樣具有良好的性能且可以在開環(huán)情況下運(yùn)行。 本章小結(jié) 本章以 Buck 電路為基礎(chǔ)，詳細(xì)講述了單周期控制理論的基本原理，并把它擴(kuò)展到了通用控制理論；推導(dǎo)了固定頻率的單周期控制方程，并把它擴(kuò)展到了通 用模式工作條件下；此外介紹 了單周期控制技術(shù)對(duì)開關(guān)誤差的自動(dòng)補(bǔ)償 ；介紹了單周期控制在逆變器中的應(yīng)用以及數(shù)字單周期控制的優(yōu)越特性。第 5 章 單相逆變器單周期控制技術(shù)研究 29 第 5 章 單相逆變器的單周期控制技術(shù)研究 逆變器的應(yīng)用非常廣泛，不僅交流電動(dòng)機(jī)和交流負(fù)載等需要逆變器供電，在很多直流電源變換系統(tǒng)中也需要用到逆變器，隨著各行各業(yè)技術(shù)的發(fā)展，許多設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，由電網(wǎng)直接提供的原始電能已經(jīng)不能滿足這些用電設(shè)備的需求，原始電能必須經(jīng)過(guò)變換后才能給這些設(shè)備使用，在變換環(huán)節(jié)中通常都有逆變器。此外，在新能源和直流輸電等系統(tǒng)中，逆變器都是其中的重要環(huán)節(jié) ，而 全橋逆變電路是單相 逆變電路中應(yīng)用最多的。單周期控制技術(shù)的基本思想是通過(guò)對(duì)占空比的控制來(lái)控制開關(guān)變量在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值等于參考值。所以本文著重研究了單相全橋逆變器的單周期控制技術(shù)。 單周期控制全橋逆變器的原理 V i nV 1V 2V 3V 4V d+LCV o+ii o 如圖 51 所示為單相全橋逆變器的主電路，橋臂輸出電壓為 dV ，電感電流為 Li ，輸出電壓為 oV ，輸出電流為 oi 。為了方便研究，作如下假設(shè)： (1) 所有器件均為理想器件，忽略死區(qū)； (2) 開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓頻率，在相鄰幾個(gè)開關(guān)周期輸入電壓和輸圖 51 單相全橋逆變器主電路圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 出電壓均保持不變。 V o r e f電 壓 環(huán)單 周 期 控 制 器P W M主 電 路L C 濾 波 電 路V dV oV d r e f 根據(jù)單周期控制的基本原理需要控制 dV 在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值等于輸出電壓的給定值，以使得輸出電壓很好地跟蹤參考 電壓 [13][15]，采用模擬控制時(shí)可以利用積分復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，為了改善系統(tǒng)的性能加入了電壓調(diào)節(jié)器 ，系統(tǒng)的整體控制框圖如圖 52 所示，圖中 orefV 為輸出電壓的給定， refV 為電壓環(huán)輸出。 對(duì)圖 51 所示的全橋逆變器主電路建立輸出側(cè)方程如下 ： 00()iLdOLdL V Vdtdv ViCd t R? ? ? ????? ? ? ??? （ 51） 根據(jù) u 的定義可以得到 d inV u v?? 代入方程 51 可以得到 : 22oo o i nd v d vLL C v u vR d tdt? ? ? ? ? ? ? （ 52） 由于積分控制器控制控制 dV 在一個(gè)開關(guān)周期里的平均值與 refV 相同將方程 52 平均化處理可以得到 : 22oo o i n dd v d vLL C v u V VR d tdt? ? ? ? ? ? ? ? （ 53） 由于電壓環(huán)采用的是 PID 調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為 : 0()( ) ( ) o r e f od r e f p o r e f o i o r e f dod v vV k v v k v v k dt? ?? ? ? ? ? ? ? ??（ 54） 圖 52 全橋逆變器單周期控制框圖 第 5 章 單相逆變器單周期控制技術(shù)研究 31 同樣對(duì)其平均化處理 : 0 () od r e f p o i o r e f o ddvv k v k v v k dt?? ? ? ? ? ? ? ?? （ 55） 聯(lián)立方程 53 和 55 并求取微分可以得到 : 3232( ) ( 1 )o o od p i o i o r e fd v d v d vLL C k k k v k VR d td t d t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（ 56） 由方程 56 可以看到通過(guò)合理的選取 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)就可以保證輸出電壓很好地跟蹤參考電壓。 單周控制器則有單極性和雙極性兩種控制方法下面對(duì)兩種方法分別作分析。 單周期控制器的雙極性控制 模擬雙極性控制 ++SR時(shí) 鐘 發(fā) 生 器c lo c k比 較 器時(shí) 鐘 發(fā) 生 器運(yùn) 算 放 大 器比 較 器 V dV r e fV 1 、 V 4V 2 、 V 3V e 圖為雙極性控制方式下的單周控制器，主要由積分器、比較器、時(shí)鐘 Clock 和 RS 觸發(fā)器構(gòu)成，時(shí)鐘信號(hào)的周期為 Ts，積分器的時(shí)間常數(shù) RC=Ts。 圖 53 雙極性控制模式 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 T sc lo c kV 1 、 V 4V dV r e fV ettttV1V 2 T sc lo c kV dV 1 、 V 4V r e fV ettttV2V1 a） Vref〉 0 圖 54 b） Vref〈 0 第 5 章 單相逆變器單周期控制技術(shù)研究 33 圖 54 為雙極性控制方式單周控制器運(yùn)行波形示意圖，圖 (a)為 大于 0 時(shí)波形示意圖，圖 (b)為 小于 0 時(shí)波形示意圖。在每個(gè)周期的初始時(shí)刻， V V4 導(dǎo)通， V V3 關(guān)斷 ， d inVV? ，積分器開始積分；當(dāng) Ve 達(dá)到參考值時(shí)比較器輸出翻轉(zhuǎn)使得 RS 觸發(fā)器復(fù)位，積分器瞬間復(fù)位后從零開始積分，此時(shí) V V4 關(guān)斷， V V3 導(dǎo)通 , d inVV?? ，電路一直保持這個(gè)工作狀態(tài)直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的到來(lái)。根據(jù)以上分析可以得 : 2 ( ) ( )01 2 ( ) 2 ( )001111on sonon onTTd t d tTSTTd t d tSv v dt v dtRC Tv v v dt v v dtRC T? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ??????? （ 57） 則 dV 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為 ： ( ) ( ) ( ) 1 2 2 10011 ()o n o n sonT T Td d t d t d t r e fTSSv v d t v d t v d t v v v v vTT? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?（ 58） 由式 (58)可知 dV 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值與參考值 refV 是相等的，達(dá)到了控制目標(biāo)。 對(duì)雙極性模式采用 MATLAB 進(jìn)行建模電路參數(shù)選取輸入電壓380VDC，輸出電壓 220V/50Hz， 輸出功率 1000W ，濾波電感 3mH ，濾波電容 20uF， 10pK ? ， 9000iK ? ， ? ，其主電路 如下圖所示： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）