一種自適應逆變電源的設計與實(shí)現

閉環(huán)調節脈寬調制（PWM）的逆變電源在各種類(lèi)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(shí)或周期性的負載變動(dòng)下，輸出低諧波含量的波形。許多研究方案利用瞬時(shí)反饋控制技術(shù)，如：瞬時(shí)電壓電流跟蹤法[1]、無(wú)差拍控制法[2][3]、狀態(tài)反饋控制法[4]，獲得了較好的動(dòng)態(tài)響應。但是這類(lèi)方法只能使系統對于瞬時(shí)的負載變化有較好的調節能力，而對周期性的負載變動(dòng)所產(chǎn)生的周期性諧波抑制能力則很差。因此，這類(lèi)系統對于非線(xiàn)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(shí)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(jìn)一步推廣應用。其中，瞬時(shí)電壓電流跟蹤法，即所謂兩態(tài)（或三態(tài)）滯環(huán)控制（Delta－PWM），電路的開(kāi)關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開(kāi)關(guān)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(tài)反饋控制的設計基于系統的精確數學(xué)模型，并要求狀態(tài)反饋增益進(jìn)行優(yōu)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(wú)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(jīng)常變動(dòng)的應用場(chǎng)合更不適用。雖然有的文獻也提出了改進(jìn)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(yōu)劣。自適應控制作為一種現代控制的方法，適用于系統數學(xué)模型未知，或者運行過(guò)程中會(huì )發(fā)生變化的情況，這無(wú)疑為解決逆變電源因負載變化而產(chǎn)生波形畸變的問(wèn)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(jìn)行深入的研究，它能自動(dòng)地消除由于未知的負載周期性擾動(dòng)所產(chǎn)生的交流周期畸變，大大提高了電源的品質(zhì)。

2工作原理

見(jiàn)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(kāi)關(guān)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(jīng)補償后的參考信號；

P(k,z－1)—系統受控對象的閉環(huán)傳遞函數。

該控制系統主要包括兩個(gè)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(huán)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(gè)周期為N的擾動(dòng)，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(wú)誤差的跟隨。但是，這就要求有很強的穩定度。在實(shí)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(zhì)上講是一種算法，它使系統具有自適應能力，能根據實(shí)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(shí)時(shí)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(jìn)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(huán)，將該閉環(huán)的傳函記為P(z－1)，并近似認為其為二階時(shí)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(shí)變參數，其控制思想是：首先由自適應參數調節器在線(xiàn)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(shí)時(shí)的，就能使系統總能根據實(shí)際的運行條件進(jìn)行控制，從而可以提高控制的精度，這也就實(shí)現了自適應的思想。

圖3重復控制系統結構框圖

3實(shí)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(shí)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(tài)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(tài)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(dòng)下的穩定性

（4）與無(wú)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(zhù)眼，因此更為先進(jìn)，更利于應用。

（5）該方案更為有利的是，在設計時(shí)不必知道PWM逆變電源系統確切的數學(xué)模型，而只需在應用中用實(shí)時(shí)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(jìn)而有效地提高其輸出的質(zhì)量。

總的來(lái)說(shuō)，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(yōu)點(diǎn)，是一種新穎的方法，解決了一些實(shí)際問(wèn)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(xiàn)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(jìn)一步的研究工作，以盡快使其實(shí)用化。