【正文】 壓，嚴(yán)格跟隨給定正弦電壓，降低了輸出電壓畸變率(THD)，采用電流反饋控制，使系統(tǒng)輸出在負(fù)載突變時保持穩(wěn)定，具有較好的動態(tài)性能。 開環(huán)控制雖然電路結(jié)構(gòu)簡單成本低，但是其性能較差，存在很大局限性：輸出波形諧波畸變THD值高、質(zhì)量差，理想情況時開環(huán)控制可以輸出理想正弦波，但實(shí)際上由于死區(qū)的影響，非線性負(fù)載等非理想因素的影響，使實(shí)際輸出電壓畸變嚴(yán)重；系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢，當(dāng)負(fù)載突變時，輸出電壓會出現(xiàn)很大波動并且需要經(jīng)過較長時間才能穩(wěn)定，當(dāng)輸入電壓波動時，輸出電壓也不穩(wěn)定。例如，可以減少內(nèi)環(huán)對象的等效時間常數(shù)；提高系統(tǒng)的工作頻率；抑制進(jìn)入內(nèi)環(huán)回路的擾動；適應(yīng)負(fù)荷的變化。通過采樣電感電流和電容電壓，用外環(huán)電壓誤差的控制信號去控制電流，調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。特別當(dāng)負(fù)載為非線性負(fù)載時，PID參數(shù)不易整定。逆變電源系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出在電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化時，無穩(wěn)定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率、波形質(zhì)量要求不高的場合；對波形要求較高的場合，一般都采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些集成的控制器能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，更好的滿足逆變電源的控制要求。Ti由小到大逐次改變，并相應(yīng)改變Kp值，反復(fù)試湊，直到得到滿意的性能為止。如果系統(tǒng)的動態(tài)特性不能滿足要求。如果系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度不能滿足要求，必采用PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)逆變器采用PID控制方式時，由于被控對象本身為相位滯后系統(tǒng)，逆變橋在系統(tǒng)中的作用也等效為一階保持器，具有一個開關(guān)周期的滯后效應(yīng)，再加上數(shù)控系統(tǒng)本身的計算延遲，使整個系統(tǒng)的滯后效應(yīng)非常明顯。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大值，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。(3)若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。整定時首先置積分時間為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小()，然后減小積分時間，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。如果系統(tǒng)沒有靜差，或者靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只須用比例調(diào)節(jié)器，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。其參數(shù)的整定原則主要包括以下幾個方面：(1)首先只整定比例部分。不過它也由不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。因而產(chǎn)生了如下式所描述的增量式PID控制算法。模擬式PID控制算法的表達(dá)式為： （）其中，u(t)為控制器的輸出信號，e(t)為誤差信號，Kp是比例系數(shù)，Ti是積分時間常數(shù)，Td是微分時間常數(shù)。 數(shù)字PID控制 PID控制算法是應(yīng)用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。I越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除的越快，但過大的話，在響應(yīng)初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，引起較大超調(diào)；I過小，將難以消除靜態(tài)誤差。但D過大，則會使響應(yīng)過程提前制動，延長了調(diào)節(jié)時間。在過程開始時強(qiáng)迫過程加速進(jìn)行，過程結(jié)束時減小超調(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。其中比例(P)代表了當(dāng)前的信息，起校正偏差的作用，加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，P越大，系統(tǒng)的精度越高，但將產(chǎn)生超調(diào)，P取值過小則響應(yīng)慢，延長了調(diào)節(jié)時間。 輸入直流電壓為300V，留一定裕量，可選取 300A，600V的IGBT作為開關(guān)器件，可以滿足以上的電壓電流要求。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。由于IGBT的輸入控制部分為MOSFET,輸出級為雙極結(jié)型晶體管，因此兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)：高輸入阻抗,電壓控制,驅(qū)動功率小,開關(guān)速度快,工作頻率可達(dá)1040kHz（比電力晶體管高），飽和壓降低（比MOSFET小得多，與電力晶體管相當(dāng)），電壓電流容量較大，安全工作區(qū)較寬。低通濾波器截止頻率越低，輸出電壓諧波畸變越小，但考慮流過濾波器的無功分量電流增大，也會增大變流器的體積和成本，為了達(dá)到較好的性能，由功率模塊開關(guān)頻率為3000HZ，基波頻率為50HZ，適當(dāng)選取濾波器諧振頻率選為550HZ。； （）其中 ； ；；。當(dāng)阻性負(fù)載突然變?yōu)楦行载?fù)載時，濾波電感電流可能會突變，為防止電感電流突變，因濾波電容和負(fù)載并聯(lián)，它可以補(bǔ)償感性電流，因此，在設(shè)計濾波電路時,在額定負(fù)載下，濾波電容要補(bǔ)償一定的感性無功電流。％；電源效率大于85%。直流側(cè)輸入電壓為300V；額定輸出電壓為110V，輸出電壓頻率為50Hz，額定輸出功率10kVA，~1；交流輸出電壓穩(wěn)壓精度為177。當(dāng)負(fù)載變化時若不加以控制，動態(tài)過程僅由逆變器自然特性決定，必然有調(diào)節(jié)時間過長，動態(tài)性能較差的問題，引入逆變器波形控制方案是很有必要的。，選取電容 C 和電感 L 作為狀態(tài)變量，根據(jù)基爾霍夫電壓定理 KVL 和電流定理 KCL，可以得到逆變器的數(shù)學(xué)模型如下： （） （）可得逆變器的連續(xù)時間狀態(tài)方程如下： ； （）令上式中 ； ； . ； ；. （）這可得逆變器通用連續(xù)狀態(tài)空間模型為： （） （）由此可以得到逆變器頻域下指令傳遞函數(shù)式和結(jié)構(gòu)框圖。逆變器建模時，如何處理負(fù)載的動態(tài)特性也是一個關(guān)鍵性的問題。在理想情況下，假定直流母線電壓源的幅值恒定，功率開關(guān)為理想器件，且逆變器輸出的基波頻率、LC 濾波器的截止頻率與開關(guān)頻率比較起來足夠低，顯然這一點(diǎn)在逆變器中是自動滿足的，那么逆變橋可以被看作一個恒定增益的放大器，從而可以采用狀態(tài)空間平均法來得到逆變器的線性化模型。 單相全橋逆變電路的數(shù)學(xué)模型要開展逆變技術(shù)的理論分析和實(shí)驗研究工作，給逆變器建立數(shù)學(xué)模型，是我們的第一步工作。電阻R是濾波電感的等效串聯(lián)電阻以及逆變器中其它各種阻尼因素的綜合。 該等效電路中，電壓源 AC 代表來自逆變橋的輸出交流電壓，不同于一般的交流電壓波形，它是一個單極性的 SPWM 脈沖序列。Ud為直流母線電壓，L和C分別表示輸出濾波電感和濾波電容，R為濾波電路的等效串聯(lián)電阻，Ui為逆變橋輸出電壓，Uo為濾波電路輸出電壓。本文選用單相全橋電路結(jié)構(gòu)，下圖所示的是一個帶LC 濾波環(huán)節(jié)的單相全橋逆變電路結(jié)構(gòu)圖。本文選用應(yīng)用最廣的單相全橋式SPWM逆變器作為主電路。在軟件PWM的調(diào)整過程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。該方法所要求的DSP必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，DSP的工作速度盡量快。而且DSP完全有可能用于逆變器中實(shí)現(xiàn)輸出電壓進(jìn)行逐點(diǎn)的控制。DSP是一款高性能的數(shù)字處理芯片，它不僅運(yùn)算速度快，還有專門用于實(shí)現(xiàn)PWM的片內(nèi)外設(shè)。 DSP實(shí)現(xiàn)SPWM傳統(tǒng)的產(chǎn)生SPWM波形的方法能夠用于逆變器中實(shí)現(xiàn)幅度和頻率可調(diào)的正弦波電壓。這樣便可得到輸出電壓可調(diào)的實(shí)時SPWM波形。在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)SPWM波形正是基于上述模擬方法的基本原理。已投入市場的專用芯片有HEF4752，SLF4520，MASl8，SG3525等。特別是在高頻電力電子器件被廣泛應(yīng)用后，完全依賴軟件生成SPWM波的方法實(shí)際上很難適應(yīng)高開關(guān)頻率的要求。三角波為載波，正弦波為調(diào)制波，當(dāng)載波頻率比調(diào)制波頻率大得多時，可以近似認(rèn)為在一個載波周期，調(diào)制波電壓不變。通過調(diào)制波對載波的脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，我們可以得到不同幅值的正弦波電壓。負(fù)載端電壓脈沖列是由不同寬度調(diào)制的正負(fù)直流電壓組成。用正弦波與三角波進(jìn)行比較，正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分，輸出負(fù)脈沖。這種在控制信號的半個周期內(nèi)三角波僅在一種極性內(nèi)變化，且所產(chǎn)生的SPWM波形也只在一種極性內(nèi)變化的控制方式，稱為單極性調(diào)制。而在正弦波的負(fù)半周，當(dāng)正弦信號的幅值大于三角信號的幅值時，比較器輸出負(fù)電平；當(dāng)正弦信號的幅值小于三角信號時，比較器輸出零電平。 SPWM波形序列單極性脈寬調(diào)制是用一條正弦控制波與一條在正弦波正半周的極性為正、負(fù)半周的極性為負(fù)的等腰三角波進(jìn)行比較，從而得到PWM波的調(diào)制方式。但其脈沖幅度都等于Um的一個矩形脈沖來分別代替相應(yīng)的正弦波部分。這樣就可以分別計算出在各個時間間隔中所包含的面積如圖所示。三角波調(diào)制法是目前逆變電源中應(yīng)用較多的產(chǎn)生SPWM波的方式，它是建立在每一個特定時間間隔內(nèi)能量等效于正弦波所包含的能量的概念上發(fā)展起來得一種脈寬調(diào)制方式，下圖表示三角波調(diào)制法的能量等效圖。此外，采用脈寬調(diào)制技術(shù)不僅能夠提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。采用脈寬調(diào)制技術(shù)方式構(gòu)成的逆變器，其輸入為固定不變的直流電壓，由于這種逆變器，只有一個可控的功率級，簡化了主電路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、重量輕、可靠性高。脈寬調(diào)制技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。對于正弦波的負(fù)半周，也可采用同樣的方法得到PWM波形，這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波形。從圖中可知各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖幅值按正弦規(guī)律變化，不是水平直線。下面分析如何使用一系列等幅不等寬的脈沖來等效正弦波。沖量即窄脈沖的面積，這里所說的效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同?？梢哉fPWM控制技術(shù)正是依賴其在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得較為成熟，確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。當(dāng)然還有其他分類方法，這里就不再逐一敘述。從實(shí)現(xiàn)方法上大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件和查表等幾種實(shí)現(xiàn)方法。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)之后，PWM技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，從追求電壓的正弦波到電流的正弦波，再到磁通的正弦波；從效率最優(yōu)到轉(zhuǎn)矩脈動最小，再到噪音最小等，PWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。尤其是最近幾年，微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制以后，更是花樣翻新，到目前為止仍有新的PWM控制方式在不斷出現(xiàn)。由于三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變換成交流電。用改變調(diào)制信號頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)節(jié)；用改變調(diào)制信號幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。隨著研究的深入進(jìn)行，將會有更多、更適合逆變電源控制的新型控制策略2 SPWM控制原理 PWM概述所謂PWM技術(shù)就是用功率器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻及控制和消除諧波為目標(biāo)的一門技術(shù)，也就是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法(這里所謂相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信號波)，當(dāng)然不同信號調(diào)制后生成的PWM脈寬對變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、脈動轉(zhuǎn)矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗等的影響差異很大。因而，各種控制策略取長補(bǔ)短、相互滲透，構(gòu)成復(fù)合控制器，是一種趨勢所在。理論上已經(jīng)證明：模糊控制可以任意精度逼近任何非線性函數(shù)，但受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規(guī)則數(shù)都受到一定的限制，隸屬函數(shù)的確定還沒有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，帶有一定的人為因素，因此模糊控制的精度有待于進(jìn)一步提高。模糊控制器的設(shè)計過程中不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，查找模糊控制表只需要占用處理器的很少的時間，而且模糊控制器有著較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。而模糊控制能夠在準(zhǔn)確和簡明之間取得平衡，有效地對復(fù)雜事物做出判斷和處理。模糊控制 模糊控制的最大特征是它能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。但是滑模變結(jié)構(gòu)控制存在著控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效果不佳、理想滑模切換面難于選取、控制效果受采樣率的影響等不足。前饋控制保證系統(tǒng)輸出電壓有較好的跟蹤質(zhì)量，滑模控制不是連續(xù)控制，而是一種開關(guān)控制，它使系統(tǒng)運(yùn)行于一種滑動模態(tài)，保證系統(tǒng)較強(qiáng)的魯棒性。早期的滑模變結(jié)構(gòu)多采用模擬控制技術(shù)，這存在著控制硬件電路復(fù)雜、控制功能有限的弱點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了它的發(fā)展，然而用微處理器通過軟件可以比較方便的實(shí)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制?；瑒幽B(tài)軌跡運(yùn)動，從而達(dá)到預(yù)期的性能。由于建立逆變器狀態(tài)模型時很難將負(fù)載特性完全考慮在內(nèi)，所以狀態(tài)反饋控制只能針對空載或假定阻性負(fù)載進(jìn)行，如果不采取相應(yīng)措施(增設(shè)負(fù)載電流前饋補(bǔ)償，預(yù)先進(jìn)行魯棒分析等)，則負(fù)載的變化將導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)偏差的出現(xiàn)和動態(tài)特性的改變。與雙閉環(huán)控制類似，狀態(tài)反饋波形控制系統(tǒng)也需要兩個反饋?zhàn)兞?，但是并不用它來?gòu)成獨(dú)立的閉環(huán)控制回路，而是在狀態(tài)空間概念上通過合理選擇反饋增益陣來改變對象的動力學(xué)特性，以實(shí)現(xiàn)不同的控制效果。從狀態(tài)空間角度分析，單閉環(huán)控制系統(tǒng)性能不佳的原因可以解釋為：單獨(dú)的輸出反饋未能充分利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息。從控制理論的角度來說，閉環(huán)系統(tǒng)性能與閉環(huán)極點(diǎn)密切相關(guān)。但由于延遲因子的存在，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需要一個參考周期，干擾出現(xiàn)后的一個參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對于干擾并不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，這一