专利名称：瞬时电压pid电流pi数字控制的逆变电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率变换电路，特别涉及一种瞬时电压PID (比例积分 微分)电流PI (比例积分)数字控制的逆变电源。
背景技术：
随着超大规模集成电路技术的发展，微处理器的性能飞速提高，成本价 格不断下降，使得逆变电源的全数字化控制日益增多。直接数字控制与模拟
控制相比，有下列优点从噪声和漂移效应来看，数字控制器远较相应的模 拟控制器优越；能以恒定的精确度快速执行复杂计算，抗干扰能力强；根据 需要可以很容易改变控制程序(控制器特性)，通用性极强，升级方便；具 有较强的监控功能，系统维护方便；数字式部件体积小，重量轻，易于标准 化。
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。逆变电 源的数字控制器采用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；采用无差拍控制具有较 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；采用常规的PI数字控制 动态响应慢、控制精度差。可见能发挥数字控制优点的几种数字控制方法虽 然已被提出，但存在不足。
发明內容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种瞬时电压 PID电流PI数字控制的逆变电源，该逆变电源稳态精度高；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；控制鲁棒性高，抗干扰能力强，能输出高品质的交流电源。
本发明提供的瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源，其特征在于: 逆变器的控制端与微处理器相接，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，逆变器直 流端与直流电源相连，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；
所述微处理器包括电压PID数字控制器、电流PI数字控制器和第一、 第二减法器，电流PI数字控制器的输出端与逆变器的控制端相接，电压传 感器的输出端与第一减法器的负输入端相接，第一减法器的正输入端接收参 考量",，第一减法器的输出端与电压PID数字控制器的输入端相接，电流传 感器的输出端与第二减法器的负输入端相接，第二减法器的正输入端与电压 PID数字控制器的输出端相接，第二减法器的输出端与电流PI数字控制器的
本发明与现有技术相比具有以下优点
(1) 从空载到额定负载的各种负载情况下，输出电压稳压精度均在
0.42%之内，稳态误差大大降低。
(2) 负载突变达50%额定功率时，动态过渡过程不超过0.8ms，输出电 压变化率不超过7.07%，负载适应性增强。
(3) 在额定非线性负载、负载电流波峰因子达3.2'的情况下，输出电压 总谐波畸变率THD=1.316%，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。
(4) 本发明在对逆变电源瞬时电压PID电流PI数字控制器控制参数的 设计中，直接在离散域将控制参数与逆变电源性能指标要求建立定量关系， 整个逆变电源具有较强的鲁棒性，在各种不同负载扰动情况下，均能得到品 质优良的交流输出电压；逆变电源对逆变器参数、数字控制器参数变化不敏 感，系统响应性能稳定；能够满足高性能指标要求，具有明显的优越性。
(5) 本发明电路结构简单，成本低，易于实现。
8
图1为瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源的结构示意图2为微处理器主程序流程图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1的原理电路框图二；
图6为图2中的控制算法程序流程图二；
图7为图2中的控制算法程序流程图三；
图8为图1的原理电路框图三；
图9为图1的原理电路框图四。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源的结构
为
电流PI数字控制器8的输出端与逆变器2的控制端相接，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的输出端与第 一减法器9的负输入端相接，第一减法器9的正输入端接收参考量 ，第一 减法器9的输出端与电压PID数字控制器7的输入端相接，逆变器2的直流 端接直流电源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的输出端与第二减法器10的负输入端相接，第二减法器10的正 输入端与电压PID数字控制器7的输出端相接，第二减法器10的输出端与 电流PI数字控制器8的输入端相接。
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。
第一、第二减法器9、 10和电压PID数字控制器7、电流PI数字控制器 8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，根据电压、电流信号和参考量，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构成一个瞬时电压PID电流PI数字控制系统， 逆变器2中的电流/和输出电压"。分别经过电流传感器和电压传感器送入微 处理器1，微处理器1经过程序运算后产生控制信号^对逆变器2实施控制， 其中逆变器2中的电流信号/可为滤波电感电流"滤波电容电流^和负载电 流/。。
瞬时电压PID电流PI数字控制中的微处理器1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"。(it)和电流传感器得到的
当前拍的电流/("，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) 计算下一拍的控制信号"^ + l);
根据采集的逆变器2中电流信号/的不同，包括滤波电感电流/,、滤波电 容电流/。和负载电流/。，采用不同的算法计算下一拍的控制信号",^ + l),下面 分别予以说明。
(2A)当采集的电流信号/为滤波电感电流/,或滤波电容电流^时，如图3 所示，按照步骤(2A1) (2A4)计算下一拍的控制信号^(/t + l):
(2A1)利用公式(Al)计算当前拍的电压误差信号e,(Q，其中",("为当 前拍的参考量
(Al)
(2A2)利用公式(A2)计算当前拍的电流给定信号^(":
"ir (" = [、 +钆^ /(z—1) + (z—1) /(rz)h (A2 )
其中、、、、^分别为电压PID数字控制器的比例、积分、微分系数， z表示离散域算子。
(2A3)利用公式(A3)计算当前拍的电流误差信号^(Q，当采集的电流 信号i为滤波电感电流夂时，《;t)为当前拍的滤波电感电流"A:);当采集的电 流信号/为滤波电容电流z;时，/(A:)为当前拍的滤波电容电流/￡:
e2(" = ",,W-柳 (A3) (2A4)利用公式(A4)计算下一拍的控制信号",("l):
10Ml (A; +1) = [、 + &"7> /(z - l)]e2 (A) ( A4 )
其中、、A,分别为电流PI数字控制器的比例、积分系数。
图4是与采集的电流信号/为滤波电感电流夂对应的原理电路框图。如图 4所示，输出电压"。与参考量^比较后产生的电压误差信号e,经过电压PID 数字控制器7产生电流给定信号",,，电流给定信号",f减去滤波电感电流/,产 生电流误差信号^ ，电流误差信号^经过电流PI数字控制器8最后得到控制 信号^对逆变器2进行控制。
图5是与采集的电流信号/为滤波电容电流4对应的原理电路框图。如图 5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&，而图5中逆变器2的电流是滤波电容电流z:。
(2B)当采集的电流信号f为负载电流/。，按照步骤(2B1) (2B6)计算下 一拍的控制信号"^ + l):
(2B1)利用公式(B1)计算下一拍的输出电压观测值^("1)和下一拍的滤 波电感电流观测值〖("1)，其中^("为当前拍的控制信号，z。(yt)为当前拍的 负载电流
《0(A: + 1)
他
+丑,
十仏c
"o("
(Bl)
-丄r r ——r
1 -丄r
1 丄r
6 2i sm"rfr
——r ^ — r e 2￡ coso^r--e 2i sin<^r
2Z^
011 ^12 >21 ^22.
B2]
5,=
(— cos <yrfr - ~sin r) + 1
1 -丄r
e 21 sin r
B，=
—丄r -"1 -"
-丄r —r
一e " cos r--e 2Z sin^r + 1
2Z^
乂12
乂22.
11c,=[i o]
为逆变器2的自然振荡频率
=-
为逆变器2的阻尼振荡频率
丄C 4丄2
其中L为逆变器2输出的总滤波电感，C为逆变器2输出的总滤波电容， r为逆变器2的等效阻尼电阻。
A为图8和图9中状态观测器11的反馈增益矩阵，按照(4-^C,)的特 征值比逆变器2的闭环特征值快3倍以上的原则选择反馈增益矩阵&即可。
(2B2)利用公式(B2)计算下一拍的负载电流观测值f。("l):
(B2)
1 0
r i
//3为图8和图9中扰动观测器12的反馈增益矩阵，按照(4-Z^CJ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&即可。 (2B3)利用公式(B3)计算下一拍的电压误差信号观测值^(A + 1)，其中 +1)为下一拍的参考量. S1(;i:+l)=^/r(A:+l)-^)(A:+l) (B3) (2B4)计算下一拍的电流给定信号^Ot + l);
根据有无负载电流前馈，采用不同的算法计算下一拍的电流给定信号 ",# + 1),下面分别予以说明。
当无负载电流前馈时，利用公式(B4)计算下一拍的电流给定信号
& (A +1) = [、 + 、rz /(z -1) + 、 (z — 1) /(7k)g (A +1) (B4) 当有负载电流前馈时，如图7所示，利用公式(B5)计算下一拍的电流预 给定信号^("1):
/0 </oc。
II<formula>formula see original document page 13</formula> (2B5)利用公式(B6)计算下一拍的电流误差信号e2("l)，其中，当无负 载电流前馈时，下一拍的电流观测值 ^ + l)为下一拍的滤波电感电流观测值
《& + 1)或下一拍的滤波电容电流观测值〖(/{: + 1)=〖(/5: + 1)-((/t + l);当有负载电 流前馈时，下一拍的电流观测值^ + l)为下一拍的滤波电感电流观测值 《(A: + 1)。
e2(Ar + l) = ^(/t + l)-(B6) (2B6)利用公式(B7)计算下一拍的控制信号W"1):
Wl (A: +1) = [、 + /(z - l)]e2 (A: +1) (B7)
无负载电流前馈时的控制器的处理流程如图6所示，有负载电流前馈时 的控制器的处理流程如图7所示。
图8是与图6对应的原理电路框图。如图8所示，状态观测器11依据 当前拍的输出电压"。W和当前拍的负载电流/。(Q观测出下一拍的输出电压 观测值A^ + 1)和下一拍的滤波电感电流观测值夂("1)，其计算公式为公式 (Bl)。扰动观测器12依据当前拍的负载电流z。("观测出下一拍的负载电流观 测值(("l)，其计算公式为公式(B2)。下一拍的输出电压观测值&(* + 1)与参 考量",(hl)比较后产生的下一拍的电压误差信号观测值g(/t + l)经过电压PID 数字控制器7产生下一拍的电流给定信号^(;t+l)，下一拍的电流给定信号
+1)减去下一拍的电流观测值 +1)产生下一拍的电流误差信号e2(" 1)， 其中下一拍的电流观测值 (A: + 1)为下一拍的滤波电感电流观测值^ + 1)或下 一拍的滤波电容电流观测值1(*+1)。下一拍的电流误差信号^(A + 1)经过电流 PI数字控制器8最后得到下一拍的控制信号",("l)对逆变器2进行控制。
图9是与图7对应的原理电路框图。如图9所示，状态观测器11依据
当前拍的输出电压"。("和当前拍的负载电流/。(Q观测出下一拍的输出电压
观测值&(* + 1)和下一拍的滤波电感电流观测值^ + 1)，其计算公式为公式 (Bl)。扰动观测器12依据当前拍的负载电流/。Ot)观测出下一拍的负载电流观测值i("l)，其计算公式为公式(B2)。下一拍的输出电压观测值^Ot + l)与参 考量",^+l)比较后产生的下一拍的电压误差信号观测值^(/c+l)送给电压PID 数字控制器7，电压PID数字控制器7的输出加上下一拍的负载电流观测值 1("1)得到下一拍的电流预给定信号^(* + 1)，下一拍的电流预给定信号 ^("1)经限幅后为下一拍的电流给定信号^("1)，下一拍的电流给定信号 ",,^ + 1)减去下一拍的滤波电感电流观测值^ + 1)产生下一拍的电流误差信 号e""l)，下一拍的电流误差信号6(A + 1)经过电流PI数字控制器8最后得 到下一拍的控制信号"^ + l)对逆变器2进行控制。
对于瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源，关键在于确定电压PID 数字控制器、电流PI数字控制器的控制参数。在状态空间理论基础上，运 用对控制对象直接离散和极点配置的方法，确定电压PID数字控制器、电流 PI数字控制器参数，现说明如下
当采用瞬时电压PID电流PI数字控制方式时，令
000A2&
100&、
"Ari0，5 =7%，P =， 〖=
100000、
_ A000022Z5
其中，A和B分别为逆变器状态方程离散化后的状态矩阵、输入矩阵， P为离散域期望闭环极点矩阵，K为增益矩阵。运用Ackermamn公式求出K 矩阵各元素，再按以下公式可求得电压PID数字控制器、电流PI数字控制 器各控制参数
、"5赁
&vrf 二 —&4 . TV ，
求方程(V『/ & - C)S + (A + &《-V V & + g & = 0的实根即为轧，即: V-6/2 + ^/4 + 。3/27 -如2 + V^74 + a3/27 ， 其中，"=[-3A:2 J5/(V"^-C) —"+*4)2/(V"&-C)2]/3， 6=[2(& +>t4)3/a4 .m5 -C)3 '伐+&)/a4.7V& -C)2 +27g . V(、 ."4 _C)〗/27 ，
14(3)利用下一拍的控制信号",("1)对逆变器2进行控制；
(斗)令l^k+l，重复步骤(1) (3)，直至工作结束。
以上所述为本发明的较佳实施例而己，但本发明不应该局限于该实施例 和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或 修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源，其特征在于逆变器(2)的控制端与微处理器(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)直流端与直流电源(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；所述微处理器(1)包括电压PID数字控制器(7)、电流PI数字控制器(8)和第一、第二减法器(9，10)，电流PI数字控制器(8)的输出端与逆变器(2)的控制端相接，电压传感器(5)的输出端与第一减法器(9)的负输入端相接，第一减法器(9)的正输入端接收参考量ur，第一减法器(9)的输出端与电压PID数字控制器(7)的输入端相接，电流传感器(6)的输出端与第二减法器(10)的负输入端相接，第二减法器(10)的正输入端与电压PID数字控制器(7)的输出端相接，第二减法器(10)的输出端与电流PI数字控制器(8)的输入端相接。
2、 根据权利要求1所述的逆变电源，其特征在于微处理器(l)按照下 述步骤进行控制第1步采集电压传感器得到的当前拍的输出电压"。("和电流传感器得 到的当前拍的电流W)，且当前拍电流《"为滤波电感电流z;或滤波电容电流"其中，采样周期T称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0;第2步按照第2.1步至第2.4步的过程计算下一拍的控制信号^(;t + l):第2.1步利用公式(I)计算当前拍的电压误差信号W"，其中 W为 当前拍的参考量= (I) 第2.2步利用公式(II)计算当前拍的电流给定信号^(":+ —1)/(化)]e,(A:) (II)其中、、、、^分别为电压PID数字控制器的比例、积分、微分系数； z为离散域算子；第2.3步利用公式(III)计算当前拍的电流误差信号^",当采集的电 流信号z'为滤波电感电流/,时，W)为当前拍的滤波电感电流"A:);当采集的电流信号i为滤波电容电流/J寸，W)为当前拍的滤波电容电流U&):e2(" = ",,("-W (III) 第2.4步利用公式(IV)计算下一拍的控制信号",(^ + l),然后转入第3步w, (A: +1) = [、 +夂,7V /0 - l)]e2 (IV )其中，、、A,分别为电流PI数字控制器的比例、积分系数，Z为离散域 算子；、、^、 t、、、、按照下述公式计算获得、=&5&为方程(V"^ _C)《+A:4)g - W、 +《=0的实根; 、 " -C)^]/A:5,&W = & /夂；其中，c为逆变器输出的总滤波电容，A、 &、 &、 &、 ^利用逆变器状态方程离散化后的状态矩阵和输入矩阵，以及离散域期望闭环极点矩阵计算得到；第3步利用下一拍的控制信号",(^ + l)对逆变器进行控制； 第4步令k-k+l，重复第1步 第3步，直至关机。
3、 根据权利要求1所述的逆变电源，其特征在于微处理器(l)还包括 状态观测器(11)和扰动观测器(12)，状态观测器(ll)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，扰动观测器(12)的输入端与电流传感器 (6)的输出端相连。
4、 根据权利要求3所述的逆变电源，其特征在于微处理器(1)按照 下述步骤进行控制<formula>formula see original document page 4</formula>第1步采集电压传感器得到的当前拍的输出电压"。("和电流传感器得 到的当前拍的电流/(",且当前拍电流/W为负载电流/。，其中，釆样周期T 称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0;第2步按照第2.1步至第2.6步的过程计算下一拍的控制信号^Ofc + l):第2.1步利用公式(V)计算下一拍的输出电压观测值《。ot + i)和下一拍的滤波电感电流观测值^ + l)，其中",("为当前拍的控制信号，z。(Q为当前拍 的负载电流<formula>formula see original document page 4</formula>其中L为逆变器输出的总滤波电感，C为逆变器输出的总滤波电容，r 为逆变器的等效阻尼电阻；A为状态观测器的反馈增益矩阵，按照Ci-的特征值比逆变器的闭环特征值快3倍以上的原则选择反馈增益矩阵A;第2.2步利用公式C/I)计算下一拍的负载电流观测值〖^ + 1):诚<formula>formula see original document page 5</formula>//,为扰动观测器的反馈增益矩阵，按照(4-^c》的特征值比逆变器的闭环特征值快5倍以上的原则选择反馈增益矩阵^ ;第2.3步利用公式(VD)计算下一拍的电压误差信号观测值S,(it+l)，其中",(A: + 1)为下一拍的参考量《(众+1)= ("1)_《0("1) (vn)第2.4步当无负载电流前馈时，利用公式(WI)计算下一拍的电流给定信 号^Ot+i)，当有负载电流前馈时，利用公式(IX)计算下一拍的电流预给定信号w,h("1):<formula>formula see original document page 5</formula>下一拍的电流预给定信号^(it + l)经过限幅后为下一拍的电流给定信号 A, + D;其中、、、、、分别为电压PID数字控制器的比例、积分、微分系数；z为离散域算子；第2.5步禾,公式(X)计算下一拍的电流误差信号e2("l)，其中，当无 负载电流前馈时，下一拍的电流观测值/()t + l)为下一拍的滤波电感电流观测 值《(hl)或下一拍的滤波电容电流观测值i(A: + l)"("l)-f。(A: + l);当有负载<formula>formula see original document page 5</formula>电流前馈时，下一拍的电流观测值^ + l)为下一拍的滤波电感电流观测值《("l);e2(& + l) = wir(A: + l)-〖(A: + l) (X) 第2.6步禾U用公式(XI)计算下一拍的控制信号",("1):",("1)=[、+《々/(z -1)>2 +1) (XI)其中，、、A,分别为电流PI数字控制器的比例、积分系数，z为离散域 算子；、、^、 &、、、、按照下述公式计算获得、"5= -&4.71 / &5/t,,为方程(v r / & - c)g++ & )《-V V & + ^ . & = o的实根；其中，C为逆变器输出的总滤波电容，&、 &、 &、 &、 ^利用逆变器 状态方程离散化后的状态矩阵和输入矩阵，以及离散域期望闭环极点矩阵计 算得到；第3步利用第2步计算得到的下一拍的控制信号^Ot + l)对逆变器进行 控制；第4步令l^k+l，重复第1步 第3步，直至关机。
全文摘要
本发明公开了一种瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源，电流PI数字控制器输出端与逆变器控制端相接，逆变器输出端与电压传感器输入端及负载相接，电压传感器输出端与第一减法器负输入端相接，第一减法器正输入端接收参考量，第一减法器输出端与电压PID数字控制器输入端相接，逆变器直流端接直流电源，逆变器中引出的电流与电流传感器输入端相接，电流传感器输出端与第二减法器负输入端相接，第二减法器正输入端与电压PID数字控制器输出端相接，第二减法器输出端与电流PI数字控制器输入端相接。该逆变电源精度高，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，本发明可广泛应用于交流稳定电源、不间断电源、有源电力滤波器等。
文档编号H02M7/42GK101505110SQ20091006088
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者勇 康, 力 彭, 王淑惠, 阮燕琴, 坚 陈 申请人:华中科技大学