基于極點配置的逆變電源重復控制器設計

丁海波 楊艷 劉鵬

摘 要：為改善逆變器動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能，文章設計了極點配置和重復控制串聯(lián)的控制器方案?？刂葡到y(tǒng)引入狀態(tài)反饋和極點配置，采用重復控制器進行電壓修正和補償。實驗證明該設計提高了逆變器動態(tài)性能且能夠獲得更高精度的穩(wěn)態(tài)輸出波形。

關鍵詞：逆變器；重復控制；極點配置

引言

由于逆變器狀態(tài)變量變化快且動態(tài)特性差，尋找一種既能保證穩(wěn)態(tài)精度和快速實現(xiàn)的瞬時控制方案比較困難[1]。將瞬時值控制結合重復控制，瞬時值控制主要用于改善逆變器動態(tài)特性；重復控制則專門用于獲得穩(wěn)態(tài)輸出。二者的結合和補充大大簡化了控制器設計，且全面提升了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。

1 逆變器重復控制策略

重復控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中y為逆變器電壓輸出，r為參考正弦輸入，d為等效的周期性干擾信號，e為誤差信號，z-N為周期延遲環(huán)節(jié)，N為采樣次數(shù)，P（z）為控制對象，C（z）為補償器，其中陰影表示重復信號發(fā)生器的內(nèi)模[2]。

圖1 重復控制系統(tǒng)的示意圖

控制對象是單相半橋逆變器。由于輸出基波頻率和濾波器的截至頻率遠小于逆變器的開關頻率，故逆變器的動態(tài)特性基本取決于輸出濾波器[3]。實驗裝置單相半橋逆變電源構成如下：直流輸入電壓250V；濾波電容20uF；濾波電感1.1mH；采樣頻率10KHz；開關頻率10KHz；死區(qū)時間2微秒；交流電壓輸出峰值100V，輸出電壓基波頻率為50Hz。連續(xù)域逆變器傳遞函數(shù)為[4]：

在10kHz采樣頻率下將（1）用零階保持器法離散

因此可知一個周期采樣的次數(shù)N=200，Q（z）取0.95，故周期延遲環(huán)節(jié)z-N=z-200。

2 重復控制與極點配置相結合控制

逆變電源動態(tài)特性較差，是由于逆變器自身的阻尼較弱，即其兩個極點太接近s域的虛軸或z域的單位圓[5]。而為增加逆變器的阻尼可以引入狀態(tài)反饋，進行極點配置。僅通過狀態(tài)反饋極點配置達到較高的穩(wěn)態(tài)指標相對困難，增加重復控制可以解決此問題[6]。

首先配置狀態(tài)反饋極點來改造逆變器的極點，改善其在指令跟蹤和負載突變時的動態(tài)響應特性[7]；之后重復控制器采樣計算極點配置控制系統(tǒng)的電壓偏差值，據(jù)此漸次調(diào)整后者的電壓信號提高基波幅值的輸出精度和補償波形畸變[8]。

極點配置串連重復控制，而前者改變了開環(huán)逆變器的頻率特性，因此要重新設計重復控制。消除了諧振峰簡化了補償器的設計，并可不使用陷波濾波器，而高頻衰減和中低頻對消的任務僅用一個二階濾波器就可以完成，設計選用

由于逆變器阻尼增加消除了加載過程的振蕩，特別是通過瞬時值反饋補償波形，進而重復控制器的處理負擔被減輕了，波形在加載后第三個基波周期時就可恢復到穩(wěn)態(tài)。

3 實驗分析

采用改進后的系統(tǒng)實驗波形如圖2所示。逆變電源的動、靜態(tài)性能被有效的改進，基本達到與狀態(tài)反饋極點配置+重復控制一樣的效果。

如圖2所示，由于引入了電壓微分反饋補償器，其改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，使得突加負載的振蕩過程消失，從而大大減輕了重復控制器的負擔，因此逆變器調(diào)節(jié)的時間比僅用重復控制的設計要少，輸出波形在第三個基波周期即可達到穩(wěn)態(tài)。極點配置方案系統(tǒng)由于將負載擾動包含在狀態(tài)反饋回路當中，因此對于負載擾動有好于微分反饋方案的效果。

4 結束語

重復控制會對擾動的抑制滯后一個基波周期，一些要求比較苛刻的負載來說是不能接受的。瞬時值反饋控制的方法具有較好的動態(tài)性能，由重復控制器來控制穩(wěn)態(tài)波形，從而實現(xiàn)較好動靜態(tài)性能的輸出。實驗結果顯示，該控制器設計方案不但能夠?qū)討B(tài)性能進行改善，也明顯提高了穩(wěn)態(tài)波形的質(zhì)量。

參考文獻

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作者簡介：丁海波（1978-），男，籍貫：吉林四平，學歷：碩士，現(xiàn)職稱：工程師，研究方向：大型醫(yī)療器械逆變電源設計。