一種新穎的自適應PWM逆變電源

摘要：詳細介紹一種新穎的PWM逆變電源的數字控制方法——自適應重復控制。該方法的應用使系統具有自適應能力，能自動地消除由于未知的負載周期性擾動而產生的輸出交流周期畸變，這為解決逆變電源在整流性負載下輸出波形畸變較大的問題提供了一條良好的途徑。

關鍵詞：逆變電源PWM自適應

Keywords:Inverter，PWM，Self?adaption

A Novel Self－ adaption PWM Inverter

Abstract: This paper describes a novel pulse width modulated (PWM) inverter based on digital control ? adaptive repetitive control.The proposed control scheme can adaptively eliminate periodic distortions resulted by unknown periodic load disturbances in the inverter ,which gives a practical approach to solve the problem that the output waveform of the inverter will get high THD with rectifier load.

中圖法分類號：TM92文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)08?399?02

　　1引言

閉環調節脈寬調制（PWM）的逆變電源在各種類型的交流供電系統中得到了廣泛的應用，例如：不間斷電源（UPS），電壓調節器（AVR），可編程交流電源（PAS）等。在這些系統中，要求能在瞬時或周期性的負載變動下，輸出低諧波含量的波形。許多研究方案利用瞬時反饋控制技術，如：瞬時電壓電流跟蹤法[1]、無差拍控制法[2][3]、狀態反饋控制法[4]，獲得了較好的動態響應。但是這類方法只能使系統對于瞬時的負載變化有較好的調節能力，而對周期性的負載變動所產生的周期性諧波抑制能力則很差。因此，這類系統對于非線性負載，如整流性負載，其輸出總諧波含量仍然很高。另外，上述幾種瞬時反饋控制的方法，從自身控制原理上講仍存在不足之處，也妨礙了它們的進一步推廣應用。其中，瞬時電壓電流跟蹤法，即所謂兩態（或三態）滯環控制（Delta－PWM），電路的開關頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開關頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機分布，輸出頻譜的分析較為困難，也不利于輸出濾波器的設計[5]。狀態反饋控制的設計基于系統的精確數學模型，并要求狀態反饋增益進行優化設計以增加系統的魯棒性，而這兩方面的誤差都可能很大，從而降低了系統的性能。至于無差拍控制，由于其原理是基于電路計算的方法，因而對電路中元件參數的變化非常敏感，這對于負載經常變動的應用場合更不適用。雖然有的文獻也提出了改進的方案，如添加負載參數辨識器[3]，但效果仍然不理想。

PWM逆變電源性能的好壞最終取決于控制策略的優劣。自適應控制作為一種現代控制的方法，適用于系統數學模型未知，或者運行過程中會發生變化的情況，這無疑為解決逆變電源因負載變化而產生波形畸變的問題提供了一條思路。筆者正在基于DSP和單片機196的硬件基礎上對該種自適應逆變電源進行深入的研究，它能自動地消除由于未知的負載周期性擾動所產生的交流周期畸變，大大提高了電源的品質。

2工作原理

見圖1，在該系統中，將逆變橋、LC濾波器及整流性RC負載的整體作為系統的控制對象。其中，Ud

圖1自適應PWM逆變電源硬件結構圖

為直流電源電壓，g1，g2，g3，g4為功率管開關信號，U1，U2分別為電流、電壓反饋信號。該自適應控制方案由圖2表示。

其中：r(k)—參考信號；

y(k)—系統輸出；

e(k)—誤差信號；

Q(z－1)、S(k,z－1)—輔助補償器；

rc(k)—經補償后的參考信號；

P(k,z－1)—系統受控對象的閉環傳遞函數。

該控制系統主要包括兩個部分：其一為離散重復控制器，另一為自適應參數調節器。它們的工作原理如下：

（1）離散重復控制器

重復控制是指能消除所有包含在穩定閉環內的周期性誤差的控制方案，如圖3所示。

其中，P（z－1）代表被控對象的傳函，d(k)為干擾信號，其余信號的定義與圖2中相同。

由圖可得：E(z－1)和D(z－1)為e(k)，d(k)的Z變換，若d(k)是一個周期為N的擾動，則其Fourier變換為|Cn|代表Fourier系數

而傳函在頻域內可表示為若Q(z－1)=1且P(z－1)是穩定的，則

|H(jω)|=0（ω=2nπ/N，n=0，…，N－1）

這表明這些周期性誤差能被重復控制器所消除，在這種情況下就能獲得無誤差的跟隨。但是，這就要求有很強的穩定度。在實際應用中，可以減弱這一條件，如令：

|H(jω)|<μ (jω ) （ ω="2nπ" /N， n="0，" ...， N－ 1）

這里μ(jω)為周期性誤差的允許范圍。

（2）自適應參數調節器

在重復控制系統的基礎上添加自適應參數調節器，就構成自適應重復控制系統。自適應參數調節器從本質上講是一種算法，它使系統具有自適應能力，能根據實際的系統特性調整控制參數，以達到所期望的性能指標。在本系統中，自適應參數調節器利用遞推最小二乘算法（RLSE），實時辨識系統受控對象的結構參數，從而依據期望的性能指標對離散重復控制器的參數進行調節。

如圖2，在本控制方案中，首先構成以圖1中信號U1，U2為反饋的閉環，將該閉環的傳函記為P(z－1)，并近似認為其為二階時變結構，即

圖2自適應重復控制系統控制框圖

式中a1，a2為時變參數，其控制思想是：首先由自適應參數調節器在線地辨識系統受控對象的結構參數a1(k)，a2(k)，然后根據辨識結果調節輔助補償器S(k,z－1)的參數，以得到適應系統結構的控制規律，從而使y（k）跟隨r（k）。由于辨識是實時的，就能使系統總能根據實際的運行條件進行控制，從而可以提高控制的精度，這也就實現了自適應的思想。

圖3重復控制系統結構框圖

3實驗與效果

根據文獻[6]該方案已在2kVA，輸出100VAC，60Hz的逆變器上得以實現并取得了良好的效果。

（1）對于峰值系數為3的整流性負載，相同條件下采用狀態反饋控制，得到輸出電壓THD值為8％，而采用自適應控制后THD值能在0.2s內降低為1％[6]；兩種方案下的輸出波形比較如圖4所示。

（2）該方案有效地消除了由于周期性的未知的系統特性參數變化（包括負載參數、元器件參數）而對系統輸出造成的影響。

圖4兩種控制方案的輸出波形

(a)狀態反饋控制方案（b)自適應控制方案

（3）與其它控制方案相比，該方案不但具有較快的誤差收斂速度，而且還確保了系統在大的負載擾動下的穩定性

（4）與無差拍控制方法中應用的負載參數辨識相比，該方案辨識的是系統的結構參數，

即是總體考慮，而不僅僅從局部上著眼，因此更為先進，更利于應用。

（5）該方案更為有利的是，在設計時不必知道PWM逆變電源系統確切的數學模型，而只需在應用中用實時辨識的模型代替。這就提供了一條途徑，使得自適應控制方法能直接應用于傳統的模擬控制的PWM逆變電源中，進而有效地提高其輸出的質量。

總的來說，本文所介紹的這種PWM逆變電源的自適應控制方法具有其獨特的優點，是一種新穎的方法，解決了一些實際問題。當然，作為一種新型的控制方法，它肯定還有不少需要完善的地方。由于自適應控制畢竟是一種非線性控制方案，其設計自然要比常規反饋控制復雜得多，系統建模及穩定性分析也非常困難。筆者正在作進一步的研究工作，以盡快使其實用化。

參考文獻

1KawamuraA，HoftRG.InstantaneousFeedbackControlledPWMInverterwithAdaptiveHysteresis.IEEETranIndAppl,1984

2GokhaleKP,KawamuraAandHoftRG.Dead－BeatMicroprocessorControlofPWMInverterforSinusoidalOutputWaveformSynthesis.IEEETransIndAppl,1987

3陳建章.無差拍控制逆變器的研究與實現:[博士論文]南京:南京航空航天大學，1997

4Shi－liangJungetc.DSP－BasedDigitalControlofAPWMInverterforSineWaveTrackingbyOptimalStateFeedbackTechnique.IEEEPESC,1994

5馬立華，陳伯時.電流滯環跟蹤控制分析.電氣自動化,1995,（1）

6Shing－chungYehetc.AdaptiveRepetitiveControlofAPWMInverterforACVoltageRegulationwithLowHarmonicDistortion.IEEEPESC,1995