一種自適應逆變電源的設計與實現(xiàn)

　　閉環(huán)調節(jié)脈寬調制（PWM）的逆變電源在各種類型的交流供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，例如：不間斷電源（UPS），電壓調節(jié)器（AVR），可編程交流電源（PAS）等。在這些系統(tǒng)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、無差拍控制法、狀態(tài)反饋控制法，獲得了較好的動態(tài)響應。但是這類方法只能使系統(tǒng)對于瞬時的負載變化有較好的調節(jié)能力，而對周期性的負載變動所產(chǎn)生的周期性諧波抑制能力則很差。因此，這類系統(tǒng)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(tài)（或三態(tài)）滯環(huán)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。狀態(tài)反饋控制的設計基于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，并要求狀態(tài)反饋增益進行優(yōu)化設計以增加系統(tǒng)的魯棒性，而這兩方面的誤差都可能很大，從而降低了系統(tǒng)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(shù)的變化非常敏感，這對于負載經(jīng)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(shù)辨識器，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(xiàn)代控制的方法，適用于系統(tǒng)數(shù)學模型未知，或者運行過程中會發(fā)生變化的情況，這無疑為解決逆變電源因負載變化而產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)中，將逆變橋、LC濾波器及整流性RC負載的整體作為系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)受控對象的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

　　該控制系統(tǒng)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(shù)調節(jié)器。它們的工作原理如下：

　?。?）離散重復控制器

　　重復控制是指能消除所有包含在穩(wěn)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*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(shù)

　　而傳函在頻域內可表示為

　　若Q（z-1）=1且P（z-1）是穩(wěn)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(wěn)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。

　?。?）自適應參數(shù)調節(jié)器

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

　　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變結構，即

　　圖2自適應重復控制系統(tǒng)控制框圖

　　式中a1，a2為時變參數(shù)，其控制思想是：首先由自適應參數(shù)調節(jié)器在線地辨識系統(tǒng)受控對象的結構參數(shù)a1（k），a2（k），然后根據(jù)辨識結果調節(jié)輔助補償器S（k，z-1）的參數(shù)，以得到適應系統(tǒng)結構的控制規(guī)律，從而使y（k）跟隨r（k）。由于辨識是實時的，就能使系統(tǒng)總能根據(jù)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(xiàn)了自適應的思想。

　　圖3重復控制系統(tǒng)結構框圖

　　3實驗與效果

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

　?。?）對于峰值系數(shù)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。

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

　　圖4兩種控制方案的輸出波形

　?。╝）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(tǒng)在大的負載擾動下的穩(wěn)定性

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

　　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。

　?。?）該方案更為有利的是，在設計時不必知道PWM逆變電源系統(tǒng)確切的數(shù)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(tǒng)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(yōu)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(guī)反饋控制復雜得多，系統(tǒng)建模及穩(wěn)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。