采用電感電流內(nèi)環(huán)的單相逆變器設(shè)計(jì)

1、采用電感電流內(nèi)環(huán)的單相逆變器設(shè)計(jì)    摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte0 引言    要得到性能穩(wěn)定的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，其單臺(tái)

2、逆變器的性能非常重要，因此，單臺(tái)逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見的單閉環(huán)控制技術(shù)主要有電壓瞬時(shí)值反饋、無差拍控制和重復(fù)控制等方案。為了滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合的高性能指標(biāo)要求，近來又出現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。該方案的電流內(nèi)環(huán)增大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，從而使逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)非線性負(fù)載擾動(dòng)的適應(yīng)能力，也減小了輸出電壓的諧波含量。    依據(jù)內(nèi)環(huán)電流反饋的不同，逆變器雙閉環(huán)控制可分為電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)兩種。在以濾波電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋的控制方法中，如果在電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)中增加電流限幅環(huán)節(jié)，其只能限制電容電流大小，而負(fù)

3、載電流和電感電流完全不受其約束，因而不能通過限流實(shí)施對(duì)逆變電源的保護(hù)。在以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋時(shí)，通過限制濾波電感電流即可實(shí)現(xiàn)逆變器的過流保護(hù)。因此，通過對(duì)以上兩種控制方法進(jìn)行比較，本文采用以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋的控制方案。1 逆變器系統(tǒng)模型    圖1所示為單相全橋逆變電源的主電路原理圖。圖中，Ud是逆變橋直流輸入電壓。L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，r是輸出電感、死區(qū)效應(yīng)以及濾波電容的等效電阻。    對(duì)于圖1所示的單相全橋逆變器，可得到下面的單相逆變電源的連續(xù)域數(shù)學(xué)模型式：   2 逆變

4、器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    本文的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)由外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器組成。其中外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器Gi(s)可以采用比例(P)調(diào)節(jié)器。圖2所示是逆變器電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。    在這個(gè)雙環(huán)控制方案中，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱雙環(huán)PI-P控制方式。其中電流調(diào)節(jié)器Gi(s)的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，以使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且保證有很強(qiáng)的魯棒性；電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器的作用是希望使輸出電壓波形能瞬時(shí)跟蹤給定值。這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式的

5、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，而且靜態(tài)誤差也很小。    設(shè)電壓電流調(diào)節(jié)器分別為：    雙環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)可以按常規(guī)方法設(shè)計(jì)，但需考慮兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間的響應(yīng)速度、頻帶寬度的相互影響與協(xié)調(diào)。由于控制器設(shè)計(jì)步驟比較復(fù)雜，因此還需要反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證；而采用極點(diǎn)配置方法則可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，同時(shí)能滿足高性能指標(biāo)要求，因此，這種設(shè)計(jì)方法具有明顯的優(yōu)越性。本文采用的是基于極點(diǎn)配置的逆變器系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方案，這種控制器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)潔明了，參數(shù)計(jì)算容易，而且與性能指標(biāo)之間有直接的量化關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性。此外，為了使系統(tǒng)超調(diào)更小，響應(yīng)更快，首先應(yīng)

6、該要求預(yù)期系統(tǒng)特征方程可以寫成如下的形式：       其次，應(yīng)該取=07，以使得系統(tǒng)具有最小的超調(diào)量。之后，再依據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間的設(shè)計(jì)要求，便可以確定n的合適取值，一般取n略小于諧振頻率的值。這樣，將和n代入(6)式后，就可得出系統(tǒng)的預(yù)期特征方程，然后比較方程系數(shù)，就可得到系統(tǒng)的參數(shù)值。3 單臺(tái)逆變器的仿真    圖3所示是在PSIM下構(gòu)建的逆變器仿真模型。該模型主要有三部分：主電路、控制器和PWM脈沖生成模塊。其中控制器用于實(shí)現(xiàn)電壓電流雙環(huán)控制，為產(chǎn)生PWM脈沖提供調(diào)制信號(hào)；PWM脈沖生成模塊采用雙極性調(diào)

7、制方式。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程，并綜合考慮系統(tǒng)的控制要求，再通過選取阻尼比和自然角頻率，就可以得到系統(tǒng)控制器的參數(shù)?？紤]到單相全橋逆變器系統(tǒng)控制的性能要求，在此基礎(chǔ)上所確定的最終系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：    直流母線電壓：Ud=200 V；    額定輸出電壓：Uo=110V；    額定輸出電壓頻率：f=50 Hz；    額定輸出功率：S=1 kVA；    開關(guān)頻率：fc=20 kHz；    濾波電感：L=0

8、5 mH；    濾波電容：C=10F；    K2P=314，K1P=64，Kli=20096，Kv=00128，KL=01。    圖4給出了在輸入電壓為200V，額定負(fù)載分別為ZL=100時(shí)的輸出電壓和輸出電流仿真波形；由圖4可見，輸出電壓頻率均能穩(wěn)定在50H z；圖5所示為負(fù)載突減時(shí)的仿真波形，其中突變部分是負(fù)載ZL=20切換到ZL=40時(shí)的輸出電壓、電流仿真波形；圖6為負(fù)載突增時(shí)的仿真波形，其中突變部分是負(fù)載ZL=40切換到ZL=20時(shí)的輸出電壓、電流仿真波形；通過以上仿真波形圖可知，該系統(tǒng)工作

9、穩(wěn)定，靜態(tài)誤差小，并具有很強(qiáng)的魯棒型，同時(shí)，這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?，因此可見，用該方法對(duì)該系統(tǒng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)是有效而可行的。4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證    筆者設(shè)計(jì)了一臺(tái)1kVA的逆變電焊電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其系統(tǒng)的核心控制器是TI的DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是一款高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器，是TI公司定點(diǎn)DSP2000系列中的一員，它是專門為控制與運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。該DSP可完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負(fù)載電壓和電流取樣、開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間控制等。其軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。    圖8所示是數(shù)字控制逆變器的交流電流測(cè)試波形，由圖8可以看出，本系統(tǒng)的交流輸出電流十分穩(wěn)定，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。5 結(jié)束語(yǔ)    采用電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制逆變器系統(tǒng)，可利用電流內(nèi)環(huán)快速、及時(shí)的抗擾性來有效地抑制負(fù)載擾動(dòng)的影響，在負(fù)載突變和非線性負(fù)載下，均具有較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，這是一種性能優(yōu)異的控制方法。熱門詞條超薄變壓器（12mm高）EFD