中心議題：

• 單相逆變器係統模型
• 單相逆變器係統的設計及仿真

解決方案：

• 帶輸出電流前饋的PI雙環數字化控製
• 極點配置方法

本文分析了單相逆變器係統的數字控製特點

，提出了一種帶輸出電流前饋的PI雙環(輸出電壓外環和濾波電感內環)數字化控製方案，利用極點配置方法對控製係統參數進行了設計，並對係統進行了仿真，最後給出了各種實驗條件下的實驗波形。

0 引言

要(yao)得(de)到(dao)性(xing)能(neng)穩(wen)定(ding)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)並(bing)聯(lian)係(xi)統(tong)，其(qi)單(dan)台(tai)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)
，因(yin)此(ci)，單(dan)台(tai)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)選(xuan)擇(ze)就(jiu)顯(xian)得(de)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。常(chang)見(jian)的(de)單(dan)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)主(zhu)要(yao)有(you)電(dian)壓(ya)瞬(shun)時(shi)值(zhi)反(fan)饋(kui)
、無wu差cha拍pai控kong製zhi和he重zhong複fu控kong製zhi等deng方fang案an。為wei了le滿man足zu某mou些xie應ying用yong場chang合he的de高gao性xing能neng指zhi標biao要yao求qiu
，近jin來lai又you出chu現xian了le電dian壓ya電dian流liu雙shuang閉bi環huan控kong製zhi。該gai方fang案an的de電dian流liu內nei環huan增zeng大da了le逆ni變bian器qi控kong製zhi係xi統tong的de帶dai寬kuan，從cong而er使shi逆ni變bian器qi動dong態tai響xiang應ying加jia快kuai
，同tong時shi加jia強qiang了le對dui非fei線xian性xing負fu載zai擾rao動dong的de適shi應ying能neng力li，也ye減jian小xiao了le輸shu出chu電dian壓ya的de諧xie波bo含han量liang。

依yi據ju內nei環huan電dian流liu反fan饋kui的de不bu同tong，逆ni變bian器qi雙shuang閉bi環huan控kong製zhi可ke分fen為wei電dian感gan電dian流liu內nei環huan電dian壓ya外wai環huan和he電dian容rong電dian流liu內nei環huan電dian壓ya外wai環huan兩liang種zhong。在zai以yi濾lv波bo電dian容rong電dian流liu作zuo為wei內nei環huan反fan饋kui的de控kong製zhi方fang法fa中zhong
，如ru果guo在zai電dian容rong電dian流liu內nei環huan電dian壓ya外wai環huan控kong製zhi係xi統tong中zhong增zeng加jia電dian流liu限xian幅fu環huan節jie，其qi隻zhi能neng限xian製zhi電dian容rong電dian流liu大da小xiao
，而er負fu載zai電dian流liu和he電dian感gan電dian流liu完wan全quan不bu受shou其qi約yue束shu，因yin而er不bu能neng通tong過guo限xian流liu實shi施shi對dui逆ni變bian電dian源yuan的de保bao護hu。在zai以yi濾lv波bo電dian感gan電dian流liu作zuo為wei內nei環huan反fan饋kui時shi，通tong過guo限xian製zhi濾lv波bo電dian感gan電dian流liu即ji可ke實shi現xian逆ni變bian器qi的de過guo流liu保bao護hu。因yin此ci

，通tong過guo對dui以yi上shang兩liang種zhong控kong製zhi方fang法fa進jin行xing比bi較jiao
，本ben文wen采cai用yong以yi濾lv波bo電dian感gan電dian流liu作zuo為wei內nei環huan反fan饋kui的de控kong製zhi方fang案an。

1 逆變器係統模型

圖1所示為單相全橋逆變電源的主電路原理圖。圖中

，Ud是逆變橋直流輸入電壓。L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，r是輸出電感、死區效應以及濾波電容的等效電阻。

對於圖1所示的單相全橋逆變器，可得到下麵的單相逆變電源的連續域數學模型式：


2 逆變器控製係統的設計

本文的雙閉環控製結構由外環電壓調節器和內環電流調節器組成。其中外環電壓調節器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調節器，內環電流調節器Gi(s)可以采用比例(P)調節器。圖2所示是逆變器電感電流內環電壓外環控製係統的結構框圖。

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在這個雙環控製方案中
，電流內環采用PI調節器
，簡稱雙環PI-P控製方式。其中電流調節器Gi(s)的比例環節用來增加逆變器的阻尼係數，以使整個係統工作穩定，並且保證有很強的魯棒性;電壓外環也采用PItiaojieqidezuoyongshixiwangshishuchudianyaboxingnengshunshigenzonggeidingzhi。zhezhongdianliuneihuandianyawaihuandeshuanghuankongzhifangshidedongtaixiangyingsuduhenkuai，erqiejingtaiwuchayehenxiao。

設電壓電流調節器分別為：

雙環控製係統的控製器參數可以按常規方法設計
，但需考慮兩個調節器之間的響應速度
、頻帶寬度的相互影響與協調。由於控製器設計步驟比較複雜

，因此還需要反複試驗驗證;而(er)采(cai)用(yong)極(ji)點(dian)配(pei)置(zhi)方(fang)法(fa)則(ze)可(ke)以(yi)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)，同(tong)時(shi)能(neng)滿(man)足(zu)高(gao)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)要(yao)求(qiu)
，因(yin)此(ci)，這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)越(yue)性(xing)。本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)基(ji)於(yu)極(ji)點(dian)配(pei)置(zhi)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)設(she)計(ji)方(fang)案(an)，這(zhe)種(zhong)控(kong)製(zhi)器(qi)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)簡(jian)潔(jie)明(ming)了(le)，參(can)數(shu)計(ji)算(suan)容(rong)易(yi)，而(er)且(qie)與(yu)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)之(zhi)間(jian)有(you)直(zhi)接(jie)的(de)量(liang)化(hua)關(guan)係(xi)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)優(you)良(liang)的(de)動(dong)
、靜態特性。此外
，為了使係統超調更小
，響應更快，首先應該要求預期係統特征方程可以寫成如下的形式：

其次，應該取ξ=0.7，以使得係統具有最小的超調量。之後，再依據對調節時間的設計要求
，便可以確定ωn的合適取值
，一般取ωn略小於諧振頻率的值。這樣

，將ξ和ωn代入(6)式後
，就可得出係統的預期特征方程，然後比較方程係數，就可得到係統的參數值。

3 單台逆變器的仿真

圖3所示是在PSIM下構建的逆變器仿真模型。該模型主要有三部分：主電路、控製器和PWM脈衝生成模塊。其中控製器用於實現電壓電流雙環控製，為產生PWM脈衝提供調製信號;PWM脈(mai)衝(chong)生(sheng)成(cheng)模(mo)塊(kuai)采(cai)用(yong)雙(shuang)極(ji)性(xing)調(tiao)製(zhi)方(fang)式(shi)。根(gen)據(ju)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)閉(bi)環(huan)特(te)征(zheng)方(fang)程(cheng)，並(bing)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)係(xi)統(tong)的(de)控(kong)製(zhi)要(yao)求(qiu)，再(zai)通(tong)過(guo)選(xuan)取(qu)阻(zu)尼(ni)比(bi)和(he)自(zi)然(ran)角(jiao)頻(pin)率(lv)，就(jiu)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)參(can)數(shu)。考(kao)慮(lv)到(dao)單(dan)相(xiang)全(quan)橋(qiao)逆(ni)變(bian)器(qi)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)，在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)所(suo)確(que)定(ding)的(de)最(zui)終(zhong)係(xi)統(tong)仿(fang)真(zhen)參(can)數(shu)如(ru)下(xia)：

• 直流母線電壓：Ud=200 V;
• 額定輸出電壓：Uo=110V;
• 額定輸出電壓頻率：f=50 Hz;
• 額定輸出功率：S=1 kVA;
• 開關頻率：fc=20 kHz;
• 濾波電感：L=0.5 mH;
• 濾波電容：C=10μF;

K2P=3.14，K1P=6.4，Kli=20096，Kv=0.0128

，KL=0.1。

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圖4給出了在輸入電壓為200V
，額定負載分別為ZL=100Ω時的輸出電壓和輸出電流仿真波形;由圖4可見，輸出電壓頻率均能穩定在50H z;圖5所示為負載突減時的仿真波形
，其中突變部分是負載ZL=20Ω切換到ZL=40Ω時的輸出電壓、電流仿真波形；圖6為負載突增時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=40Ω切換到ZL=20Ω時的輸出電壓
、電流仿真波形;通(tong)過(guo)以(yi)上(shang)仿(fang)真(zhen)波(bo)形(xing)圖(tu)可(ke)知(zhi)，該(gai)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)穩(wen)定(ding)，靜(jing)態(tai)誤(wu)差(cha)小(xiao)，並(bing)具(ju)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)魯(lu)棒(bang)型(xing)，同(tong)時(shi)，這(zhe)種(zhong)電(dian)流(liu)內(nei)環(huan)電(dian)壓(ya)外(wai)環(huan)的(de)雙(shuang)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)非(fei)常(chang)快(kuai)，因(yin)此(ci)可(ke)見(jian)，用(yong)該(gai)方(fang)法(fa)對(dui)該(gai)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)是(shi)有(you)效(xiao)而(er)可(ke)行(xing)的(de)。

4 實驗驗證

筆者設計了一台1kVA的逆變電焊電源實驗樣機，其係統的核心控製器是TI的DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是一款高性能16位數字信號處理器，是TI公司定點DSP2000係列中的一員，它是專門為控製與運動控製的數字化實現而設計的。該DSP可完成逆變器輸出電壓頻率的控製
、負載電壓和電流取樣、開關管的導通關斷時間控製等。其軟件實現流程圖如圖7所示。

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圖8所示是數字控製逆變器的交流電流測試波形
，由圖8可以看出，本係統的交流輸出電流十分穩定，完全能夠滿足設計要求。

5 結束語

采用電感電流內環的雙閉環控製逆變器係統，可利用電流內環快速、jishidekangraoxinglaiyouxiaodiyizhifuzairaodongdeyingxiang，zaifuzaitubianhefeixianxingfuzaixia
，junjuyoujiaogaodewentaijingduhejiaokuaidedongtaixiangying。shiyanhefangzhenjieguobiaoming
，zheshiyizhongxingnengyouyidekongzhifangfa。