专利名称：数字控制的逆变电源及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种功率变换电路，特别涉及一种数字控制的逆变电源及其控制方法。
背景技术：
随着科技的发展，信息化程度的提高，一方面重要部门、用电设备对电源供电品质的要求日益增高，另一方面电力电子设备的大量使用、非线性负载的不断增加使得电网的谐波污染十分严重，形成了鲜明的供需矛盾。为此，近年来高性能PWM逆变电源的研究越来越受到关注。
数字控制相对于模拟控制有许多优越之处，使之受到广泛关注。特别是近几年随着微处理器等微电子技术突飞猛进的发展，数字控制的硬件平台日益更新，更加快数字控制的推广应用。PWM逆变器的数字控制器采用常规控制策略时响应特性不好，与常规模拟控制器相比性能明显下降；重复控制能够很好地抑制周期性扰动，改善系统的稳态响应，但动态响应不快，至少在一个基波周期以上；无差拍控制具有较快的动态响应速度，但是控制性能对系统参数依赖性强，对参数变化敏感，鲁棒性差，有可能降低系统稳定性或甚至不稳定；可见虽然更能发挥数字控制优点的几种专用数字控制方法被提出，但存在不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种数字控制的逆变电源；该逆变电源动态响应快速、平稳，非线性负载情况下输出电压总谐波畸变率低，在额定非线性负载、负载电流波峰因子超过3的情况下，输出电压总谐波畸变率也较低，稳态精度高，而且结构简单，成本较低；本发明还提供了该逆变电源的控制方法。
本发明提供的一种数字控制的逆变电源，其特征在于逆变器的输入端与微处理器相接，逆变器的输出端与电压传感器的输入端及负载相接，逆变器中引出的电流与电流传感器的输入端相接，逆变器与直流电源相连，电压传感器的输出端和电流传感器的输出端分别与微处理器相接。
上述所述微处理器包括增广状态反馈数字控制器和减法器，增广状态反馈数字控制器的输出端与逆变器的输入端相接，电压传感器的第一输出端与减法器的负输入端相接，减法器的正输入端接收参考量ur，减法器的输出端与增广状态反馈数字控制器的输入端相接，电流传感器的输出端和电压传感器的第二输出端分别与增广状态反馈数字控制器的负输入端相接。增广状态反馈数字控制器还可以包括状态观测器，状态观测器的输入端分别与电流传感器和电压传感器的输出端相连。
上述数字控制的逆变电源的控制方法，其步骤包括(1)采集电压传感器输出的当前拍的输出电压u0(k)和电流传感器输出的当前拍的输出电流i(k)；(2)利用公式(A)计算当前拍的误差积分信号ei(k)，其中ei(k-1)为上一拍的误差积分信号，其初始值为0；ei(k)＝e(k)+ei(k-1)(A)其中e(k)为当前拍误差信号，其值等于当前拍的参考量ur(k)与当前拍的输出电压u0(k)的差值；(3)利用当前拍的误差积分信号ei(k)计算下一拍的控制信号u1(k+1)；(3A)当采集的电流信号i为滤波电感电流i1时，利用公式(B)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中i1(k)为当前拍的滤波电感电流u1(k+1)＝kiei(k)-k1u0(k)-k2i1(k)(B)(3B)当采集的电流信号i为滤波电容电流ic时，利用公式(C)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中ic(k)为当前拍的滤波电容电流u1(k+1)＝kiei(k)-k1u0(k)-k2ic(k)(C)(3C)当采集的电流信号i为负载电流i0时，其处理过程为
(3C1)利用公式(D1)计算下一拍的输出电压观测值 和下一拍的滤波电感电流观测值 其中i0(k)为当前拍的负载电流u^0(k+1)i^1(k+1)=(Ad-HCd)u^0(k)i^1(k)+Bdu1(k)i0(k)+HCdu0(k)i1(k)---(D1)]]>其中，Ad=e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT1Cωde-r2LTsinωdT-1Lωde-r2LTsinωdTe-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT]]>Bd＝[H1H2]H1=e-r2LT(-cosωdT-r2LωdsinωdT)+11Lωde-r2LTsinωdT]]>H2=r(e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT-1)-1Cωde-r2LTsinωdT-e-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT+1]]>Cd＝[1 0]ωn=1LC,]]>为逆变器的自然振荡频率ωd=1LC-r24L2,]]>为逆变器的阻尼振荡频率L为逆变器的滤波电感，C为逆变器的滤波电容，r为逆变器的等效阻尼电阻，H为状态观测器的反馈增益矩阵。
(3C2)利用公式(D2)计算下一拍的误差信号观测值 e^(k+1)=ur(k+1)-u^0(k+1)---(D2)]]>(3C3)利用公式(D3)计算为下一拍的误差积分信号观测值 e^i(k+1)=e^(k+1)+ei(k)---(D3)]]>(3C4)利用公式(D4)或公式(D5)-(D6)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，
其中 为下一拍的滤波电容电流观测值u1(k+1)=kie^i(k+1)-k1u^0(k+1)-k2i^1(k+1)---(D4)]]>i^c(k+1)=i^1(k+1)-i0(k)---(D5)]]>u1(k+1)=kie^i(k+1)-k1u^0(k+1)-k2i^c(k+1)---(D6)]]>其中，ki=1+β2+β3+β41-2e-r2LTcosωdT+e-rLT]]>k1=β2-β4+1+2a1-e-rLT-(1-a1-a2)ki1-2a1+e-rLT]]>k2=β2+1+2a1-(1-a1-a2)(k1+ki)2a2/r]]>a1=e-r2LTcosωdT]]>a2=r2Lωde-r2LTsinωdT;]]>(4)利用控制信号u1(k+1)对逆变器进行调节；(5)令k＝k+1，重复步骤(1)-(4)，直至工作结束。
本发明与现有技术相比具有以下优点(1)空载条件下，由增广状态反馈数字控制器与逆变电源构成的逆变电源控制系统动态指令跟踪波形的过渡过程时间短，不超过3.5ms，超调量小，小于9％。
(2)负载突变达额定功率时，动态过渡过程不超过2ms，输出电压变化率不超过10％，负载适应性增强。
(3)从空载到额定负载的各种负载情况下，稳压精度均在0.5％之内，稳态误差大大降低。
(4)非线性负载情况下输出电压总谐波畸变率低，在额定非线性负载、负载电流波峰因子超过3的情况下，输出电压总谐波畸变率也较低，例如，在电流波峰因子为3.03时，THD＝1.9％，表现出对非线性负载引起的波形失真具有更强的抑制能力。
(5)本发明在对逆变电源增广状态反馈数字控制器控制参数的设计中，采用状态反馈控制实现系统闭环极点的任意配置，以保障系统的稳定性、动态性能以及减小稳态误差，整个电源系统具有较强的鲁棒性。在各种不同的负载扰动情况下，均能得到品质优良的交流输出电压；整个逆变电源系统对逆变器参数、增广状态反馈数字控制器参数变化不敏感，系统响应性能稳定。
(6)本发明电路结构简单，成本低，易于实现。
图1为本发明数字控制的逆变电源的结构示意图；图2为微处理器主程序流程图；图3为图2中的控制算法程序流程图一；图4为图1的原理电路框图一；图5为图2中的控制算法程序流程图二；图6为图1的原理电路框图二；图7为图2中的控制算法程序流程图三；图8为图2中的控制算法程序流程图四；图9为图1的原理电路框图三。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明逆变电源的结构为增广状态反馈数字控制器7的输出端与逆变器2的输入端相接，逆变器2的输出端与电压传感器5的输入端及负载3相接，电压传感器5的第一输出端与减法器8的负输入端相接，减法器8的正输入端接收参考量ur，减法器8的输出端与增广状态反馈数字控制器7的输入端相接，逆变器2接直流电源4，逆变器2中引出的电流与电流传感器6的输入端相接，电流传感器6的输出端和电压传感器5的第二输出端分别与增广状态反馈数字控制器7的负输入端相接。
逆变器2、电压传感器5和电流传感器6可选用通常的逆变器、电压传感器和电流传感器。
减法器8和增广状态反馈数字控制器7构成微处理器1。其中微处理器可以是单片机或数字信号处理芯片。
微处理器1采集电压传感器5输出的电压信号和电流传感器6输出的电流信号，根据电流、电压信号和参考量，计算控制信号，并输出至逆变器2，控制逆变器2工作。
微处理器1和逆变器2构成一个增广状态反馈数字控制系统，逆变器2中的电流i和输出电压u0分别经过电流传感器和电压传感器进入微处理器1，微处理器1经过程序运算后产生控制信号u1对逆变器2实施控制，其中逆变器2中的电流信号i可为滤波电感电流i1、滤波电容电流ic和负载电流i0。
增广状态反馈数字控制器7所采用的控制方法如图2所示，其步骤为(1)采集电压传感器得到的当前拍的输出电压u0(k)和电流传感器得到的当前拍的输出电流i(k)，计算当前拍的误差信号e(k)，e(k)等于当前拍的参考量ur(k)与当前拍的输出电压u0(k)的差值；在数字控制系统中一个采样周期T称为一拍，离散时刻用kT表示，简写为k，表示第k个离散时刻，其初始值为0。
(2)利用公式(A)计算当前拍的误差积分信号ei(k)，其中ei(k-1)为上一拍的误差积分信号，其初始值为0；ei(k)＝e(k)+ei(k-1)(A)(3)利用当前拍的误差积分信号ei(k)计算下一拍的控制信号u1(k+1)；由于逆变器2中的电流i包括滤波电感电流i1、滤波电容电流ic和负载电流i0，根据采集的电流信号的不同，采用不同的算法计算下一拍的控制信号u1(k+1)，下面分别予以说明。
(3A)当采集的电流信号i为滤波电感电流i1时，如图3所示，利用公式(B)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中i1(k)为当前拍的滤波电感电流u1(k+1)＝kiei(k)-k1u0(k)-k2i1(k)(B)图4是与之对应的原理电路框图。如图4所示，输出电压u0与参考量ur比较后产生的误差信号e经过积分环节9产生误差积分信号ei，误差积分信号ei乘以积分系数ki后减去输出电压u0与电压反馈系数k1的乘积，再减去滤波电感电流i1与电流反馈系数k2的乘积，最后得到控制信号u1对逆变器2进行调节。
(3B)当采集的电流信号i为滤波电容电流ic时，如图5所示，利用公式(C)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中ic(k)为当前拍的滤波电容电流u1(k+1)＝kiei(k)-k1u0(k)-k2ic(k)(C)图6是与之对应的原理电路框图。如图6所示，其结构与图4相似，区别在于图4中逆变器2的电流是滤波电感电流i1，而图6中逆变器2的电流是滤波电容电流ic。
(3C)当采集的电流信号i为负载电流i0时，如图7和图8所示，步骤(3)包括以下过程(3C1)利用公式(D1)计算下一拍的输出电压观测值 和下一拍的滤波电感电流观测值 其中i0(k)为当前拍的负载电流u^0(k+1)i^1(k+1)=(Ad-HCd)u^0(k)i^1(k)+Bdu1(k)i0(k)+HCdu0(k)i1(k)---(D1)]]>Ad=e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT1Cωde-r2LTsinωdT-1Lωde-r2LTsinωdTe-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT]]>Bd＝[H1H2]H1=e-r2LT(-cosωdT-r2LωdsinωdT)+11Lωde-r2LTsinωdT]]>H2=r(e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT-1)-1Cωde-r2LTsinωdT-e-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT+1]]>Cd＝[1 0]ωn=1LC,]]>为逆变器2的自然振荡频率
ωd=1LC-r24L2,]]>为逆变器2的阻尼振荡频率其中L为逆变器2的滤波电感，C为逆变器2的滤波电容，r为逆变器2的等效阻尼电阻；H为状态观测器10的反馈增益矩阵，按照(Ad-HCd)的特征值比逆变器2的闭环特征值快5倍以上的原则选择反馈增益矩阵H即可。
(3C2)利用公式(D2)计算下一拍的误差信号观测值 e^(k+1)=ur(k+1)-u^0(k+1)---(D2)]]>(3C3)利用公式(D3)计算下一拍的误差积分信号观测值 e^i(k+1)=e^(k+1)+ei(k)---(D3)]]>(3C4)利用公式(D4)或公式(D5)-(D6)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中 为下一拍的滤波电容电流观测值u1(k+1)=kie^i(k+1)-k1u^0(k+1)-k2i^1(k+1)---(D4)]]>i^c(k+1)=i^1(k+1)-i0(k)---(D5)]]>u1(k+1)=kie^i(k+1)-k1u^0(k+1)-k2i^c(k+1)---(D6)]]>图9是与图7和图8对应的原理电路框图。如图9所示，其结构与图4相似，区别在于图4中逆变器2的电流是滤波电感电流i1，而图9中逆变器2的电流是负载电流i0；图9中增广状态反馈数字控制器7中包含状态观测器10。状态观测器10依据当前拍的输出电压u0(k)和当前拍的负载电流i0(k)观测出下一拍的输出电压观测值 和下一拍的滤波电感电流观测值 其计算公式为公式(D1)。
增广状态反馈数字控制系统中有三个状态变量，即输出电压u0、滤波电感电流i1(滤波电容电流ic)和误差积分信号ei，三个状态变量分别对应三个控制参数，即电压反馈系数k1、电流反馈系数k2和积分系数ki。增广状态反馈数字控制器7的设计关键在于其三个控制参数的确定。
设状态反馈增益矩阵为K＝[k1k2ki]由期望的闭环极点Z1、Z2、Z3确定的特征方程为
(Z-Z1)(Z-Z2)(Z-Z3)＝Z3+β2Z2+β3Z+β4上式中β2、β3和β4分别为特征方程展开式的二次项、一次项和常数项的系数。
比较可得ki=1+β2+β3+β41-2e-r2LTcosωdT+e-rLT]]>k1=β2-β4+1+2a1-e-rLT-(1-a1-a2)ki1-2a1+e-rLT]]>k2=β2+1+2a1-(1-a1-a2)(k1+ki)2a2/r]]>其中a1=e-r2LTcosωdT]]>a2=r2Lωde-r2LTsinωdT]]>上述推导中以滤波电感电流i1作为一个状态变量，若用滤波电容电流ic代替电感电流i1作为状态变量，因系统特征方程相同，所以控制参数仍由上面三式确定。
(4)利用控制信号u1(k+1)对逆变器2进行调节；(5)令k＝k+1，重复步骤(1)-(4)，直至工作结束。
权利要求
1.一种数字控制的逆变电源，其特征在于逆变器(2)的输入端与微处理器(1)相接，逆变器(2)的输出端与电压传感器(5)的输入端及负载(3)相接，逆变器(2)中引出的电流与电流传感器(6)的输入端相接，逆变器(2)与直流电源(4)相连，电压传感器(5)的输出端和电流传感器(6)的输出端分别与微处理器(1)相接。
2.根据权利要求1所述的逆变电源，其特征在于所述微处理器(1)包括增广状态反馈数字控制器(7)和减法器(8)，增广状态反馈数字控制器(7)的输出端与逆变器(2)的输入端相接，电压传感器(5)的第一输出端与减法器(8)的负输入端相接，减法器(8)的正输入端接收参考量ur，减法器(8)的输出端与增广状态反馈数字控制器(7)的输入端相接，电流传感器(6)的输出端和电压传感器(5)的第二输出端分别与增广状态反馈数字控制器(7)的负输入端相接。
3.根据权利要求1或2所述的逆变电源，其特征在于增广状态反馈数字控制器(7)还包括状态观测器(10)，状态观测器(10)的输入端分别与电流传感器(6)和电压传感器(5)的输出端相连。
4.一种权利要求1所述逆变电源的控制方法，其步骤包括(1)采集电压传感器输出的当前拍的输出电压u0(k)和电流传感器输出的当前拍的输出电流i(k)；(2)利用公式(A)计算当前拍的误差积分信号ei(k)，其中ei(k-1)为上一拍的误差积分信号，其初始值为0；ei(k)＝e(k)+ei(k-1)(A)其中e(k)为当前拍误差信号，其值等于当前拍的参考量ur(k)与当前拍的输出电压u0(k)的差值；(3)利用当前拍的误差积分信号ei(k)计算下一拍的控制信号u1(k+1)；(3A)当采集的电流信号i为滤波电感电流i1时，利用公式(B)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中i1(k)为当前拍的滤波电感电流u1(k+1)＝kiei(k)-k1u0(k)-k2i1(k)(B)(3B)当采集的电流信号i为滤波电容电流ic时，利用公式(C)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中ic(k)为当前拍的滤波电容电流u1(k+1)＝kiei(k)-k1u0(k)-k2ic(k)(C)(3C)当采集的电流信号i为负载电流i0时，其处理过程为(3C1)利用公式(D1)计算下一拍的输出电压观测值 和下一拍的滤波电感电流观测值 其中i0(k)为当前拍的负载电流u^0(k+1)i^1(k+1)=(Ad-HCd)u^0(k)i^1(k)+Bdu1(k)i0(k)+HCdu0(k)i1(k)---(D1)]]>其中，Ad=e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT1Cωde-r2LTsinωdT-1Lωde-r2LTsinωdTe-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT]]>Bd＝[H1H2]H1=e-r2LT(-cosωdT-r2LωdsinωdT)+11Lωde-r2LTsinωdT]]>H2=r(e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT-1)-1Cωde-r2LTsinωdT-e-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT+1]]>Cd＝[1 0]ωn=1LC,]]>为逆变器的自然振荡频率ωd=1LC-r24L2,]]>为逆变器的阻尼振荡频率L为逆变器的滤波电感，C为逆变器的滤波电容，r为逆变器的等效阻尼电阻，H为状态观测器的反馈增益矩阵。(3C2)利用公式(D2)计算下一拍的误差信号观测值ê(k+1)e^(k+1)=ur(k+1)-u^0(k+1)---(D2)]]>(3C3)利用公式(D3)计算为下一拍的误差积分信号观测值êi(k+1)êi(k+1)＝ê(k+1)+ei(k)(D3)(3C4)利用公式(D4)或公式(D5)-(D6)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，其中 为下一拍的滤波电容电流观测值u1(k+1)=kie^i(k+1)-k1u^0(k+1)-k2i^1(k+1)---(D4)]]>i^c(k+1)=i^1(k+1)-i0(k)---(D5)]]>u1(k+1)=kie^i(k+1)-k1u^0(k+1)-k2i^c(k+1)---(D6)]]>其中，ki=1+β2+β3+β41-2e-r2LTcosωdT+e-rLT]]>k1=β2-β4+1+2a1-e-rLT-(1-a1-a2)ki1-2a1+e-rLT]]>k2=β2+1+2a1-(1-a1-a2)(k1+ki)2a2/r]]>a1=e-r2LTcosωdT]]>a2=r2Lωde-r2LTsinωdT;]]>(4)利用控制信号u1(k+1)对逆变器进行调节；(5)令k＝k+1，重复步骤(1)-(4)，直至工作结束。
全文摘要
本发明公开了一种数字控制的逆变电源及其控制方法。增广状态反馈数字控制器输出端与逆变器输入端相接，逆变器输出端与电压传感器输入端及负载相接，电压传感器第一输出端与减法器负输入端相接，减法器正输入端接收参考量u
文档编号H02M7/44GK1913320SQ20061001971
公开日2007年2月14日 申请日期2006年7月24日 优先权日2006年7月24日
发明者康勇, 彭力, 张凯, 何俊, 陈坚 申请人:华中科技大学