一種雙閉環(huán)控制方法在射頻電源中的仿真應(yīng)用

湖北工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 劉 會

一種雙閉環(huán)控制方法在射頻電源中的仿真應(yīng)用

湖北工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 劉 會

傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)由于其算法簡單，實(shí)現(xiàn)簡易以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)ο喈?dāng)大一類的工業(yè)對象進(jìn)行有效控制，特別是可以建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但是，對于非線性、時變不確定的負(fù)載，傳統(tǒng)的PID控制方式，難以達(dá)到理想的控制效果。本文引入了一種電流，電壓雙閉環(huán)反饋控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種雙閉環(huán)控制方式，并用simulink仿真軟件進(jìn)行了相關(guān)仿真。結(jié)果表明，逆變器輸出穩(wěn)定、波形畸變小、對負(fù)載有較好的適應(yīng)性。

逆變器；雙閉環(huán)控制

0 引言

UPS、感應(yīng)電源、交流調(diào)速等工業(yè)設(shè)備都會用到正弦波逆變器，功率源對逆變器輸出波形質(zhì)量的要求苛刻[1][2][3]。本文在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上，模擬了逆變器控制中的雙環(huán)控制算法。包括電壓電流兩種控制，以CO2激光器的射頻電源為研究對象，對單相電壓型的逆變器進(jìn)行了建模。通過仿真，驗(yàn)證此種控制策略的合理性以及整個系統(tǒng)的魯棒性。

1 逆變器模型

圖1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Full-bridge inverter topology

圖1 所示為逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，Vdc是直流輸入電壓，VAB為諧振端電壓，UO為負(fù)載電壓，L為輸出電路對應(yīng)的電感，C為輸出電路對應(yīng)的電容，r為電路中的等效電阻。直流電壓源Vdc通過功率開關(guān)器件周期性的通斷，向負(fù)載供電。電壓VAB可以取三個值+，Vdc，0或-Vdc。因此，VAB輸出為正負(fù)變化的方波信號。負(fù)載端的電流用IO表示。功率器件為開關(guān)模式。給定初始條件為Vdc恒定，MOS管為理想器件,逆變?nèi)珮蛞暈樵鲆婧愣ǖ姆糯笃?基波、諧振頻率較開關(guān)頻率低很多)，其線性化模型可以采用狀態(tài)空間平均法[4][5]。

2 控制器的設(shè)計(jì)

本文選取濾波電容電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)作為控制的方案[6][7]。這種控制方案的限流保護(hù)作用有限。諧振電感的電流必須嚴(yán)格限制(對于逆變器的過流保護(hù))，對于內(nèi)環(huán)反饋可以嘗試選擇電感電流IL。但是，這種選擇在抑制IC變化的同時也抑制了輸出電流IO的突變，在抗擾動性方面表現(xiàn)不好[8]。所以本文采用電流內(nèi)環(huán)引入負(fù)載電流前饋，并考慮儲能元件的寄生電阻，圖2所示為改進(jìn)后的的控制系統(tǒng)框圖。

圖2 帶電流前饋的雙環(huán)控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of double loop control with feed forward

在圖2所示中Lf為諧振電感，Cf為諧振電容，R為負(fù)載，r為等效電阻，Gw(S)為電壓調(diào)節(jié)器，GN(S)為電流調(diào)節(jié)器，其中：

3 模型仿真與分析

依據(jù)本文的設(shè)計(jì)方案，在Matlab/Simulink下構(gòu)建了以圖2為原理的仿真模型，主電路采用單向全橋逆變模型，控制方式采用電壓電流雙環(huán)控制。

圖3 阻容性負(fù)載輸出波形Fig.6 Waveform of resistive and capacitive load

圖4 突加，突卸負(fù)載輸出波形Fig.4 Waveform of suddenly adding and uninstall load

依據(jù)系統(tǒng)的特征方程，綜合考慮系統(tǒng)對控制的要求，放電管放電的參數(shù)要求，最終確定整個系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：

（1）直流母線電壓Ud=500V，輸出功率1.5kW，輸出電壓有效值200V，頻率1.8MHz；

（2）開關(guān)頻率為2MHz，仿真時間為0.8us；

（3）輸出濾波器參數(shù)為：L=4uH，C=3nF；

（4）控制器參數(shù)：PI1參數(shù)為：KP=1.0，KI=0.24，KD=0， PI2參數(shù)為：KP=0.5，KI=0，KD=0。

不同負(fù)載情況下的仿真：

（1）阻容性負(fù)載：R=15Ω，C=100uF；

（2）突加突卸負(fù)載：0-2uS，R=40；2-6uS，R=20；6-8uS，R=40。

由仿真波形可知，在圖3所示中，在阻容性負(fù)載的情況下，系統(tǒng)輸出電壓、電流波形都較好，失真度較小。圖4所示為突加、突卸負(fù)載情況下的仿真結(jié)果，結(jié)果顯示0.2s和0.6s處，逆變器輸出經(jīng)歷了突然由空載到阻性負(fù)載以及阻性負(fù)載到空載的變化，在這兩個時刻輸出電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時間都較短，同時對應(yīng)電壓的變化平穩(wěn)。

[1]李波．高功率軸快流CO2激光器高效穩(wěn)定放電方法研究[D]．武漢:華中科技大學(xué),2010:22-26．

[2]王兆安,黃俊．電力電子技術(shù)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003: 96-99．

[3]陳江輝,謝運(yùn)祥,陳兵．逆變電路的控制技術(shù)與策略[J]．電氣應(yīng)用,2006,25(9):102-106．

[4]馬學(xué)軍．單相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字仿真[J]．黃石高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2004,20(2):1-4．

[5]裴雪軍,段善旭,康勇,等．基于重復(fù)控制與瞬時值反饋控制的逆變電源研究[J]．電力電子技術(shù),2002,36(1):12-14．

[6]舒為亮,張昌盛,段善旭,等．逆變電源PI雙環(huán)數(shù)字控制技術(shù)研究[J]．電工電能新技術(shù),2005,24(2):52-54．

[7]郭衛(wèi)農(nóng),陳堅(jiān)．基于狀態(tài)觀測器的逆變器數(shù)字雙環(huán)控制技術(shù)研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(9):64-68．

[8]張昌盛,段善旭,康勇．基于電流內(nèi)環(huán)的一種逆變器控制策略研究[J]．電力電子技術(shù),2005,39(3):14-16．

劉會，女，湖北工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院講師。

Application on RF Power Supply’s double loop control algorithm by simulation

Liu Hui
（Hubei engineering university，Xiaogan 432000，China）

Traditional PID control technology due to its simple algorithm，simple and high reliability could effective control most of industrial objects.The traditional PID control method，due to the tedious parameter setting method，is hard to get the desired effect.Hence，double loop control algorithm is a solution.By the way of simulation，the choose of control parameters are tested and verifed.

inverter；double loop control