UPS逆变器的数字控制_

UPS逆变器的数字控制
   摘要:本文概述了UPS山模拟控制改为数字拧制的意义。介绍了逆变器的数了字P{口控制、重复控制、无差拍控制等三种数字控制方式的原理。详细推导了重复控制、无差拍控制UPS的数学模型和控制方法。针对龙差拍控制的鲁棒性问题和控制延时问题，提出了相应的解决方一案。最后简要介绍了滑模变结构控制和模糊控制的原理，指出了数字控制技术发展的趋将。
   1  引言
   UPS起初作为计算机的供电电源产生，在市电发生异常时能继续供电，使用户有充分的时间来完成计算机关机前的准备工作，避免了市电异常造成的损失。随着技术的发展，UPS已逐步成为一种具有稳频稳压、抗射频和电磁干扰等功能的安全供电设备。
   传统UI，S多采用模拟控制。模拟控制虽技术成熟，应用广泛，但有着无法克服的缺点:精度和可靠性低;电磁兼容问题突出，老化温漂现象，控制方法调整困难;自我检测能力差等。而数字控制由于其明显的优点正受到广泛关注，如:(l)可靠性高;(2)性能稳定;(3)控制灵活，能实现复杂的算法;(4)维护方便。
   UPS逆变器直接与负载相连，为敏感关键负载供电，是UPS实现功能的核心部分，UPS的性能很大程度上取决于其逆变器的性能
   2  逆变器的数字控制技术
   传统逆变电源控制多为模拟电路实现的PID控制，由于DSP的出现，数字PID控制、无差拍控制、重复控制，滑模变结构控制、模糊控制才有了实现的可能。
   2.1  PID控制
   PID控制以其简单、参数易于整定等特点，广泛应用于工程实践之中。数字PID控制的优点是:
   (l)算法简单，易于实现高速控制。对于UPS上的控制芯片，除逆变控制外，还要完成整流、监控、保护等任务，时间和资源都较为紧张，简单的数字PID控制很具有吸引力。
   (2)稳定性较高。P工D控制的逆变电源对系统参数和负载的变化不敏感。

采用PID控制后，UPS逆变器的结构框图如图l所示，以半桥逆变器为例。采样逆变器的输出电压uo，并与电压参考信号ur相比较，将所得的电压误差信号u。送人PID调节器，调节器的输出控制PWM信号的发生，从而驱动桥臂的开关管。
控制框图见图2，SPWM部分和逆变桥可以等效为一个比例环节，km为等效放大倍数。设计控制器时，由于模拟PID控制技术较为成熟，积累了丰富的经验，可以先设计模拟控制器，然后将其离散成数字PID算法。模拟控制器的传递函数为

   虽然数字PID控制算法实现简单，但应用到UPS逆变器中，也有一些局限性。首先积分项的加入会使输出电压与给定信号之间产生相位偏移。在UPS中，由于锁相同步的要求，这种相位偏移是绝对不允许的，因此算法中积分作用必须取得很小甚至不加。其次，输出电压信号经采样离散化后，不可避免存在量化误差，即算法可以觉察到的误差最小值为一个量化单位。由于量化误差的影响，比例作用不能取得太大，否则系统不稳定。最后，由于采样和计算延时的影响，控制信号要延迟一个采样周期输出。这等同于在系统中串联了一个纯延迟环节，减小了系统的稳定裕度。
   2.2  重复控制
   重复控制是一种基于内模原理的控制技术，这种控制方法早期应用于重复性机械运动机构的控制，如机器人、磁盘驱动器等。近年来在UPS逆变电源的波形控制中也获得了很好的效果。它对于消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变，具有明显的效果趁2]。
   上世纪70年代，Franeis和Wonham提出了内模原理。该原理指出，如果产生参考信号的发生器包含在一个稳定的闭环系统中，被控输出能够无稳态误差地跟踪参考信号。重复控制就是利用内模原理，在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期信号的内模，从而使系统实现对外部周期参考信号的渐进跟踪。具体而言，就是假定前一基波周期中出现的输出电压波形畸变在下个基波周期的同一时间重复出现，控制器根据参考信号和反馈信号的误差确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面周期中出现的重复性畸变。
   图3为内模的z域形式。图3中N为每基波周期的采样次数。该结构是一个周期延迟正反馈环节，亦是一个周期信号发生器。当输人信号周期重复出现时，内模的输出就会对输人信号进行逐个周期的累加，即使是输人信号衰减到零，内模的输出仍然重复与上各周期相同的信号。

   式(10)即为无差拍控制公式。
   由以上分析可以看出，如果系统模型预测的非常准确，输出电压在每个采样点上将保持与参考电压相等。因此、无差拍控制逆变器输出电压波形质量好，总谐波畸变率(THD)低。此外无差拍控制有着非常快的暂态响应，当负载突然变化时，只要几个开关周期就可以调整输出电压，输出能够很好地跟踪给定值。
   但是无差拍控制的缺点也很突出:(l)无差拍控制系统的鲁棒性不强，能够影响系统的因素比较多，波动负载、非线性负载的作用，死区和开关器件的通态电阻非线性，或者滤波电感、电容参数不准确，滤波电感因温度、电流原因有较大的变化，它们都会使系统的控制性能都会下降甚至导致系统不稳定。(2)采样和计算的延时，使开关的单周期占空比受限。
   对于无差拍控制的鲁棒性问题，一直是研究的重点和难点。主要有以下几个研究思路:(l)采用负载电流预测的方法减轻负载变动对系统的影响，用观测器来估算负载电流，带非线性负载时，系统控制效果明显改善，而且带感性或容性负载输出电压的基波幅值误差较小;(2)对系统进行在线参数辨识.(3)与其他控制方式相结合，将无差拍控制与Pl控制，重复控制等控制方式结合，可以使系统既有快速的动态响应，又有较好的鲁棒性。

对于控制延时问题，主要的解决方案为:(1)采用变脉冲输出模式。以两电平为例，如图5所示，在电压参考值处于正半周时采用(a)双脉冲模式，在电压参考值处于负半周时采用(b)单脉冲模式，可以保证采样和计算时间小于1/4个控制周期时系统不会出现控制延时;(2)采用系统状态提前预测OSAp(one一sampling一aheadpreview)，基于状态方程对系统的状态参数进行预测，在第k周期内时计算k+1周期的控制量。

   在一台1kVA/700W的单相在线式UPS样机上应用了数字PID控制，传统无差拍控制和渐近收敛无差拍控制方案。实验结果表明，无差拍控制比数字PID控制的动静态性能都大大提高，同时开关频率可以降低到一半;采用渐近收敛式无差拍控制可以在较低的采样控制频率下，获得良好的输出性能，且系统的鲁棒性较传统无差拍控制也有极大提高。
   2.4  滑模变结构控制
   上世纪50年代末提出了滑模变结构控制，又称滑动模态控制。到了80年代，采用模拟电路实现的变结构控制开始应用于功率变化器中。之后，采用微处理器的数字滑模变结构控制引起了众多学者的兴趣，并成功应用于逆变电源的控制中。
   普通的状态反馈系统，控制量是状态量的连续函数，系统的结构不变。在变结构控制中，控制量在整个反馈控制过程中取为状态量的一种非连续函数。根据一定的判断法则，系统的输入量取为u+(x)或u一(x)时，两种输人下系统结构是不同的。切换法则s=s(x)称为切换函数，而状态空间中的曲面/曲线s(x)=0称为切换面。

   使得系统的状态轨迹从任意初始状态出发，都能在有限时间内到达切换面，然后就被约束在切换面的附近作小幅高频的振动，直至到达系统的稳定平衡点。
   滑模变结构控制的优点是系统具有良好的动态响应，并对参数变化和外界干扰具有强鲁棒性，较易用微处理器实现。这些特征很适合逆变电源的数字控制。但这种方法也有固有的缺点，主要是滑模运动导致的高频抖动，造成逆变电源输出电压上的谐波含量显著增大。将模糊控制理论、神经网络理论等运用到滑模变结构控制中，可以削弱甚至消除抖振的影响。
   2.5  模糊控制
   模糊控制是近代控制理论中一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略。它是智能控制的一个分支，由于不需要对受控对象精确描述，特别适合于处理复杂系统。实际应用中的模糊控制与一般控制的基本结构相同，都由受控对象、控制器和反馈组成。区别在于设计方法。模糊控制不受数学模型的束缚，而是利用模糊语言，采用条件语句组成的语句模型，来确定各参数的控制规则或生成模糊控制表。由微处理器通过查表法，在控制表中找到相应控制量。
   针对逆变电源的设计，模糊控制主要优点是:(l)控制器的设计不依赖系统的精确模型，因此系统鲁棒性好，对参数变化不敏感;(2)控制器在实际运行中只需进行简单的查表，适合实时数字控制。主要的缺点是控制精度有限[7]。
   模糊控制具有成为逆变电源的核心控制技术的潜能，但目前控制的精度还需进一步提高。
   3  结语
   文中介绍了五种UPS逆变器的数字控制方式，每种方式都各有所长，但也有局限性。技术的发展对逆变电源的性能提出了更新更高的要求，随着研究的深人进行，将会有性能更优，控制方式更简单的控制策略运用于逆变器的控制。此外，各种控制策略相互取长补短，集成为复合控制器也是趋势所在。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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