瞬時電壓pid電流pi數字控制的逆變電源的製作方法

2023-05-28 10:30:11 2

專利名稱：瞬時電壓pid電流pi數字控制的逆變電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種功率變換電路，特別涉及一種瞬時電壓PID (比例積分 微分)電流PI (比例積分)數字控制的逆變電源。
背景技術：
隨著超大規模集成電路技術的發展，微處理器的性能飛速提高，成本價 格不斷下降，使得逆變電源的全數位化控制日益增多。直接數字控制與模擬
控制相比，有下列優點從噪聲和漂移效應來看，數字控制器遠較相應的模 擬控制器優越；能以恆定的精確度快速執行複雜計算，抗幹擾能力強；根據 需要可以很容易改變控制程序(控制器特性)，通用性極強，升級方便；具 有較強的監控功能，系統維護方便；數字式部件體積小，重量輕，易於標準 化。
數字控制相對於模擬控制有許多優越之處，使之受到廣泛關注。逆變電 源的數字控制器採用重複控制能夠很好地抑制周期性擾動，改善系統的穩態 響應，但動態響應不快，至少在一個基波周期以上；採用無差拍控制具有較 快的動態響應速度，但是控制性能對系統參數依賴性強，對參數變化敏感， 魯棒性差，有可能降低系統穩定性或甚至不穩定；採用常規的PI數字控制 動態響應慢、控制精度差。可見能發揮數字控制優點的幾種數字控制方法雖 然已被提出，但存在不足。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足之處，提供一種瞬時電壓 PID電流PI數字控制的逆變電源，該逆變電源穩態精度高；動態響應快速、 平穩；非線性負載情況下輸出電壓總諧波畸變率低，在額定非線性負載、負 載電流波峰因子超過3的情況下，輸出電壓總諧波畸變率也較低；控制魯棒性高，抗幹擾能力強，能輸出高品質的交流電源。
本發明提供的瞬時電壓PID電流PI數字控制的逆變電源，其特徵在於: 逆變器的控制端與微處理器相接，逆變器的輸出端與電壓傳感器的輸入 端及負載相接，逆變器中引出的電流與電流傳感器的輸入端相接，逆變器直 流端與直流電源相連，電壓傳感器的輸出端和電流傳感器的輸出端分別與微 處理器相接；
所述微處理器包括電壓PID數字控制器、電流PI數字控制器和第一、 第二減法器，電流PI數字控制器的輸出端與逆變器的控制端相接，電壓傳 感器的輸出端與第一減法器的負輸入端相接，第一減法器的正輸入端接收參 考量",，第一減法器的輸出端與電壓PID數字控制器的輸入端相接，電流傳 感器的輸出端與第二減法器的負輸入端相接，第二減法器的正輸入端與電壓 PID數字控制器的輸出端相接，第二減法器的輸出端與電流PI數字控制器的
本發明與現有技術相比具有以下優點
(1) 從空載到額定負載的各種負載情況下，輸出電壓穩壓精度均在
0.42%之內，穩態誤差大大降低。
(2) 負載突變達50%額定功率時，動態過渡過程不超過0.8ms，輸出電 壓變化率不超過7.07%，負載適應性增強。
(3) 在額定非線性負載、負載電流波峰因子達3.2'的情況下，輸出電壓 總諧波畸變率THD=1.316%，表現出對非線性負載引起的波形失真具有更強 的抑制能力。
(4) 本發明在對逆變電源瞬時電壓PID電流PI數字控制器控制參數的 設計中，直接在離散域將控制參數與逆變電源性能指標要求建立定量關係， 整個逆變電源具有較強的魯棒性，在各種不同負載擾動情況下，均能得到品 質優良的交流輸出電壓；逆變電源對逆變器參數、數字控制器參數變化不敏 感，系統響應性能穩定；能夠滿足高性能指標要求，具有明顯的優越性。
(5) 本發明電路結構簡單，成本低，易於實現。
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圖1為瞬時電壓PID電流PI數字控制的逆變電源的結構示意圖2為微處理器主程序流程圖3為圖2中的控制算法程序流程圖一；
圖4為圖1的原理電路框圖一；
圖5為圖1的原理電路框圖二；
圖6為圖2中的控制算法程序流程圖二；
圖7為圖2中的控制算法程序流程圖三；
圖8為圖1的原理電路框圖三；
圖9為圖1的原理電路框圖四。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明瞬時電壓PID電流PI數字控制的逆變電源的結構
為
電流PI數字控制器8的輸出端與逆變器2的控制端相接，逆變器2的 輸出端與電壓傳感器5的輸入端及負載3相接，電壓傳感器5的輸出端與第 一減法器9的負輸入端相接，第一減法器9的正輸入端接收參考量 ，第一 減法器9的輸出端與電壓PID數字控制器7的輸入端相接，逆變器2的直流 端接直流電源4，逆變器2中引出的電流與電流傳感器6的輸入端相接，電 流傳感器6的輸出端與第二減法器10的負輸入端相接，第二減法器10的正 輸入端與電壓PID數字控制器7的輸出端相接，第二減法器10的輸出端與 電流PI數字控制器8的輸入端相接。
逆變器2、電壓傳感器5和電流傳感器6可選用通常的逆變器、電壓傳
感器和電流傳感器。
第一、第二減法器9、 10和電壓PID數字控制器7、電流PI數字控制器 8構成微處理器1。其中微處理器可以是單片機或數位訊號處理晶片。
微處理器1採集電壓傳感器5輸出的電壓信號和電流傳感器6輸出的電 流信號，根據電壓、電流信號和參考量，計算控制信號，並輸出至逆變器2，控制逆變器2工作。
微處理器1和逆變器2構成一個瞬時電壓PID電流PI數字控制系統， 逆變器2中的電流/和輸出電壓"。分別經過電流傳感器和電壓傳感器送入微 處理器1，微處理器1經過程序運算後產生控制信號^對逆變器2實施控制， 其中逆變器2中的電流信號/可為濾波電感電流"濾波電容電流^和負載電 流/。。
瞬時電壓PID電流PI數字控制中的微處理器1所採用的控制方法如圖2
所示，其步驟為
(1) 採集電壓傳感器得到的當前拍的輸出電壓"。(it)和電流傳感器得到的
當前拍的電流/("，在數字控制系統中一個採樣周期T稱為一拍，離散時刻 用kT表示，簡寫為k，表示第k個離散時刻，其初始值為0。
(2) 計算下一拍的控制信號"^ + l);
根據採集的逆變器2中電流信號/的不同，包括濾波電感電流/,、濾波電 容電流/。和負載電流/。，採用不同的算法計算下一拍的控制信號",^ + l),下面 分別予以說明。
(2A)當採集的電流信號/為濾波電感電流/,或濾波電容電流^時，如圖3 所示，按照步驟(2A1) (2A4)計算下一拍的控制信號^(/t + l):
(2A1)利用公式(Al)計算當前拍的電壓誤差信號e,(Q，其中",("為當 前拍的參考量
(Al)
(2A2)利用公式(A2)計算當前拍的電流給定信號^(":
"ir (" = [、 +釓^ /(z—1) + (z—1) /(rz)h (A2 )
其中、、、、^分別為電壓PID數字控制器的比例、積分、微分係數， z表示離散域算子。
(2A3)利用公式(A3)計算當前拍的電流誤差信號^(Q，當採集的電流 信號i為濾波電感電流夂時，《;t)為當前拍的濾波電感電流"A:);當採集的電 流信號/為濾波電容電流z;時，/(A:)為當前拍的濾波電容電流/￡:
e2(" = ",,W-柳 (A3) (2A4)利用公式(A4)計算下一拍的控制信號",("l):
10Ml (A; +1) = [、 + &"7> /(z - l)]e2 (A) ( A4 )
其中、、A,分別為電流PI數字控制器的比例、積分係數。
圖4是與採集的電流信號/為濾波電感電流夂對應的原理電路框圖。如圖 4所示，輸出電壓"。與參考量^比較後產生的電壓誤差信號e,經過電壓PID 數字控制器7產生電流給定信號",,，電流給定信號",f減去濾波電感電流/,產 生電流誤差信號^ ，電流誤差信號^經過電流PI數字控制器8最後得到控制 信號^對逆變器2進行控制。
圖5是與採集的電流信號/為濾波電容電流4對應的原理電路框圖。如圖 5所示，其結構與圖4相似，區別在於圖4中逆變器2的電流是濾波電感電 流&，而圖5中逆變器2的電流是濾波電容電流z:。
(2B)當採集的電流信號f為負載電流/。，按照步驟(2B1) (2B6)計算下 一拍的控制信號"^ + l):
(2B1)利用公式(B1)計算下一拍的輸出電壓觀測值^("1)和下一拍的濾 波電感電流觀測值〖("1)，其中^("為當前拍的控制信號，z。(yt)為當前拍的 負載電流
《0(A: + 1)
他
+醜,
十仏c
"o("
(Bl)
-丄r r ——r
1 -丄r
1 丄r
6 2i sm"rfr
——r ^ — r e 2￡ coso^r--e 2i sin<^r
2Z^
011 ^12 >21 ^22.
B2]
5,=
(— cos <yrfr - ~sin r) + 1
1 -丄r
e 21 sin r
B，=
—丄r -"1 -"
-丄r —r
一e " cos r--e 2Z sin^r + 1
2Z^
乂12
乂22.
11c,=[i o]
為逆變器2的自然振蕩頻率
=-
為逆變器2的阻尼振蕩頻率
丄C 4丄2
其中L為逆變器2輸出的總濾波電感，C為逆變器2輸出的總濾波電容， r為逆變器2的等效阻尼電阻。
A為圖8和圖9中狀態觀測器11的反饋增益矩陣，按照(4-^C,)的特 徵值比逆變器2的閉環特徵值快3倍以上的原則選擇反饋增益矩陣&即可。
(2B2)利用公式(B2)計算下一拍的負載電流觀測值f。("l):
(B2)
1 0
r i
//3為圖8和圖9中擾動觀測器12的反饋增益矩陣，按照(4-Z^CJ的特 徵值比逆變器2的閉環特徵值快5倍以上的原則選擇反饋增益矩陣&即可。 (2B3)利用公式(B3)計算下一拍的電壓誤差信號觀測值^(A + 1)，其中 +1)為下一拍的參考量. S1(;i:+l)=^/r(A:+l)-^)(A:+l) (B3) (2B4)計算下一拍的電流給定信號^Ot + l);
根據有無負載電流前饋，採用不同的算法計算下一拍的電流給定信號 ",# + 1),下面分別予以說明。
當無負載電流前饋時，利用公式(B4)計算下一拍的電流給定信號
& (A +1) = [、 + 、rz /(z -1) + 、 (z — 1) /(7k)g (A +1) (B4) 當有負載電流前饋時，如圖7所示，利用公式(B5)計算下一拍的電流預 給定信號^("1):
/0 </oc。
IIformula see original document page 13 (2B5)利用公式(B6)計算下一拍的電流誤差信號e2("l)，其中，當無負 載電流前饋時，下一拍的電流觀測值 ^ + l)為下一拍的濾波電感電流觀測值
《& + 1)或下一拍的濾波電容電流觀測值〖(/{: + 1)=〖(/5: + 1)-((/t + l);當有負載電 流前饋時，下一拍的電流觀測值^ + l)為下一拍的濾波電感電流觀測值 《(A: + 1)。
e2(Ar + l) = ^(/t + l)-(B6) (2B6)利用公式(B7)計算下一拍的控制信號W"1):
Wl (A: +1) = [、 + /(z - l)]e2 (A: +1) (B7)
無負載電流前饋時的控制器的處理流程如圖6所示，有負載電流前饋時 的控制器的處理流程如圖7所示。
圖8是與圖6對應的原理電路框圖。如圖8所示，狀態觀測器11依據 當前拍的輸出電壓"。W和當前拍的負載電流/。(Q觀測出下一拍的輸出電壓 觀測值A^ + 1)和下一拍的濾波電感電流觀測值夂("1)，其計算公式為公式 (Bl)。擾動觀測器12依據當前拍的負載電流z。("觀測出下一拍的負載電流觀 測值(("l)，其計算公式為公式(B2)。下一拍的輸出電壓觀測值&(* + 1)與參 考量",(hl)比較後產生的下一拍的電壓誤差信號觀測值g(/t + l)經過電壓PID 數字控制器7產生下一拍的電流給定信號^(;t+l)，下一拍的電流給定信號
+1)減去下一拍的電流觀測值 +1)產生下一拍的電流誤差信號e2(" 1)， 其中下一拍的電流觀測值 (A: + 1)為下一拍的濾波電感電流觀測值^ + 1)或下 一拍的濾波電容電流觀測值1(*+1)。下一拍的電流誤差信號^(A + 1)經過電流 PI數字控制器8最後得到下一拍的控制信號",("l)對逆變器2進行控制。
圖9是與圖7對應的原理電路框圖。如圖9所示，狀態觀測器11依據
當前拍的輸出電壓"。("和當前拍的負載電流/。(Q觀測出下一拍的輸出電壓
觀測值&(* + 1)和下一拍的濾波電感電流觀測值^ + 1)，其計算公式為公式 (Bl)。擾動觀測器12依據當前拍的負載電流/。Ot)觀測出下一拍的負載電流觀測值i("l)，其計算公式為公式(B2)。下一拍的輸出電壓觀測值^Ot + l)與參 考量",^+l)比較後產生的下一拍的電壓誤差信號觀測值^(/c+l)送給電壓PID 數字控制器7，電壓PID數字控制器7的輸出加上下一拍的負載電流觀測值 1("1)得到下一拍的電流預給定信號^(* + 1)，下一拍的電流預給定信號 ^("1)經限幅後為下一拍的電流給定信號^("1)，下一拍的電流給定信號 ",,^ + 1)減去下一拍的濾波電感電流觀測值^ + 1)產生下一拍的電流誤差信 號e""l)，下一拍的電流誤差信號6(A + 1)經過電流PI數字控制器8最後得 到下一拍的控制信號"^ + l)對逆變器2進行控制。
對於瞬時電壓PID電流PI數字控制的逆變電源，關鍵在於確定電壓PID 數字控制器、電流PI數字控制器的控制參數。在狀態空間理論基礎上，運 用對控制對象直接離散和極點配置的方法，確定電壓PID數字控制器、電流 PI數字控制器參數，現說明如下
當採用瞬時電壓PID電流PI數字控制方式時，令
000A2&
100&、
"Ari0，5 =7%，P =， 〖=
100000、
_ A000022Z5
其中，A和B分別為逆變器狀態方程離散化後的狀態矩陣、輸入矩陣， P為離散域期望閉環極點矩陣，K為增益矩陣。運用Ackermamn公式求出K 矩陣各元素，再按以下公式可求得電壓PID數字控制器、電流PI數字控制 器各控制參數
、"5賃
&vrf 二 —&4 . TV ，
求方程(V『/ & - C)S + (A + &《-V V & + g & = 0的實根即為軋，即: V-6/2 + ^/4 + 。3/27 -如2 + V^74 + a3/27 ， 其中，"=[-3A:2 J5/(V"^-C) —"+*4)2/(V"&-C)2]/3， 6=[2(& +>t4)3/a4 .m5 -C)3 '伐+&)/a4.7V& -C)2 +27g . V(、 ."4 _C)〗/27 ，
14(3)利用下一拍的控制信號",("1)對逆變器2進行控制；
(鬥)令l^k+l，重複步驟(1) (3)，直至工作結束。
以上所述為本發明的較佳實施例而己，但本發明不應該局限於該實施例 和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或 修改，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1、一種瞬時電壓PID電流PI數字控制的逆變電源，其特徵在於逆變器(2)的控制端與微處理器(1)相接，逆變器(2)的輸出端與電壓傳感器(5)的輸入端及負載(3)相接，逆變器(2)中引出的電流與電流傳感器(6)的輸入端相接，逆變器(2)直流端與直流電源(4)相連，電壓傳感器(5)的輸出端和電流傳感器(6)的輸出端分別與微處理器(1)相接；所述微處理器(1)包括電壓PID數字控制器(7)、電流PI數字控制器(8)和第一、第二減法器(9，10)，電流PI數字控制器(8)的輸出端與逆變器(2)的控制端相接，電壓傳感器(5)的輸出端與第一減法器(9)的負輸入端相接，第一減法器(9)的正輸入端接收參考量ur，第一減法器(9)的輸出端與電壓PID數字控制器(7)的輸入端相接，電流傳感器(6)的輸出端與第二減法器(10)的負輸入端相接，第二減法器(10)的正輸入端與電壓PID數字控制器(7)的輸出端相接，第二減法器(10)的輸出端與電流PI數字控制器(8)的輸入端相接。
2、 根據權利要求1所述的逆變電源，其特徵在於微處理器(l)按照下 述步驟進行控制第1步採集電壓傳感器得到的當前拍的輸出電壓"。("和電流傳感器得 到的當前拍的電流W)，且當前拍電流《"為濾波電感電流z;或濾波電容電流"其中，採樣周期T稱為一拍，k表示第k個離散時刻，其初始值為0;第2步按照第2.1步至第2.4步的過程計算下一拍的控制信號^(;t + l):第2.1步利用公式(I)計算當前拍的電壓誤差信號W"，其中 W為 當前拍的參考量= (I) 第2.2步利用公式(II)計算當前拍的電流給定信號^(":+ —1)/(化)]e,(A:) (II)其中、、、、^分別為電壓PID數字控制器的比例、積分、微分係數； z為離散域算子；第2.3步利用公式(III)計算當前拍的電流誤差信號^",當採集的電 流信號z'為濾波電感電流/,時，W)為當前拍的濾波電感電流"A:);當採集的電流信號i為濾波電容電流/J寸，W)為當前拍的濾波電容電流U&):e2(" = ",,("-W (III) 第2.4步利用公式(IV)計算下一拍的控制信號",(^ + l),然後轉入第3步w, (A: +1) = [、 +夂,7V /0 - l)]e2 (IV )其中，、、A,分別為電流PI數字控制器的比例、積分係數，Z為離散域 算子；、、^、 t、、、、按照下述公式計算獲得、=&5&為方程(V"^ _C)《+A:4)g - W、 +《=0的實根; 、 " -C)^]/A:5,&W = & /夂；其中，c為逆變器輸出的總濾波電容，A、 &、 &、 &、 ^利用逆變器狀態方程離散化後的狀態矩陣和輸入矩陣，以及離散域期望閉環極點矩陣計算得到；第3步利用下一拍的控制信號",(^ + l)對逆變器進行控制； 第4步令k-k+l，重複第1步 第3步，直至關機。
3、 根據權利要求1所述的逆變電源，其特徵在於微處理器(l)還包括 狀態觀測器(11)和擾動觀測器(12)，狀態觀測器(ll)的輸入端分別與電流傳感 器(6)和電壓傳感器(5)的輸出端相連，擾動觀測器(12)的輸入端與電流傳感器 (6)的輸出端相連。
4、 根據權利要求3所述的逆變電源，其特徵在於微處理器(1)按照 下述步驟進行控制formula see original document page 4第1步採集電壓傳感器得到的當前拍的輸出電壓"。("和電流傳感器得 到的當前拍的電流/(",且當前拍電流/W為負載電流/。，其中，釆樣周期T 稱為一拍，k表示第k個離散時刻，其初始值為0;第2步按照第2.1步至第2.6步的過程計算下一拍的控制信號^Ofc + l):第2.1步利用公式(V)計算下一拍的輸出電壓觀測值《。ot + i)和下一拍的濾波電感電流觀測值^ + l)，其中",("為當前拍的控制信號，z。(Q為當前拍 的負載電流formula see original document page 4其中L為逆變器輸出的總濾波電感，C為逆變器輸出的總濾波電容，r 為逆變器的等效阻尼電阻；A為狀態觀測器的反饋增益矩陣，按照Ci-的特徵值比逆變器的閉環特徵值快3倍以上的原則選擇反饋增益矩陣A;第2.2步利用公式C/I)計算下一拍的負載電流觀測值〖^ + 1):誠formula see original document page 5//,為擾動觀測器的反饋增益矩陣，按照(4-^c》的特徵值比逆變器的閉環特徵值快5倍以上的原則選擇反饋增益矩陣^ ;第2.3步利用公式(VD)計算下一拍的電壓誤差信號觀測值S,(it+l)，其中",(A: + 1)為下一拍的參考量《(眾+1)= ("1)_《0("1) (vn)第2.4步當無負載電流前饋時，利用公式(WI)計算下一拍的電流給定信 號^Ot+i)，當有負載電流前饋時，利用公式(IX)計算下一拍的電流預給定信號w,h("1):formula see original document page 5下一拍的電流預給定信號^(it + l)經過限幅後為下一拍的電流給定信號 A, + D;其中、、、、、分別為電壓PID數字控制器的比例、積分、微分係數；z為離散域算子；第2.5步禾,公式(X)計算下一拍的電流誤差信號e2("l)，其中，當無 負載電流前饋時，下一拍的電流觀測值/t + l)為下一拍的濾波電感電流觀測 值《(hl)或下一拍的濾波電容電流觀測值i(A: + l)"("l)-f。(A: + l);當有負載formula see original document page 5電流前饋時，下一拍的電流觀測值^ + l)為下一拍的濾波電感電流觀測值《("l);e2(& + l) = wir(A: + l)-〖(A: + l) (X) 第2.6步禾U用公式(XI)計算下一拍的控制信號",("1):",("1)=[、+《々/(z -1)>2 +1) (XI)其中，、、A,分別為電流PI數字控制器的比例、積分係數，z為離散域 算子；、、^、 &、、、、按照下述公式計算獲得、"5= -&4.71 / &5/t,,為方程(v r / & - c)g++ & )《-V V & + ^ . & = o的實根；其中，C為逆變器輸出的總濾波電容，&、 &、 &、 &、 ^利用逆變器 狀態方程離散化後的狀態矩陣和輸入矩陣，以及離散域期望閉環極點矩陣計 算得到；第3步利用第2步計算得到的下一拍的控制信號^Ot + l)對逆變器進行 控制；第4步令l^k+l，重複第1步 第3步，直至關機。
全文摘要
本發明公開了一種瞬時電壓PID電流PI數字控制的逆變電源，電流PI數字控制器輸出端與逆變器控制端相接，逆變器輸出端與電壓傳感器輸入端及負載相接，電壓傳感器輸出端與第一減法器負輸入端相接，第一減法器正輸入端接收參考量，第一減法器輸出端與電壓PID數字控制器輸入端相接，逆變器直流端接直流電源，逆變器中引出的電流與電流傳感器輸入端相接，電流傳感器輸出端與第二減法器負輸入端相接，第二減法器正輸入端與電壓PID數字控制器輸出端相接，第二減法器輸出端與電流PI數字控制器輸入端相接。該逆變電源精度高，響應快速、平穩，非線性負載情況下輸出電壓總諧波畸變率低，本發明可廣泛應用於交流穩定電源、不間斷電源、有源電力濾波器等。
文檔編號H02M7/42GK101505110SQ20091006088
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者勇 康, 力 彭, 王淑惠, 阮燕琴, 堅 陳 申請人:華中科技大學