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：
本实用新型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 然己被提出，但存在不足。
发明內容
本实用新型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。
本实用新型提供的瞬时电压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 输入端相接。
本实用新型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) 本实用新型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)本实用新型电路结构简单，成本低，易于实现。
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。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型瞬时电压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/可为滤波电感电流纟、滤波电容电流/。和负载电 流i。。
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"。W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"X"1);
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％()t +1)，下面 分别予以说明。
(2A)当采集的电流信号/为滤波电感电流夂或滤波电容电流(时，如图3 所示，按照步骤(2A1) (2A4)计算下一拍的控制信号^(yt + 1):
(2A1)利用公式(AO计算当前拍的电压误差信号""，其中 W为当 前拍的参考量
e州，(A:)-w。(" (Al) (2A2)利用公式(A2)计算当前拍的电流给定信号",f(":
"irW = [、 1) + ^(z-1)/(7^)]q(A:) (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e"Q，当采集的电流 信号/为滤波电感电流/,时，《A:)为当前拍的滤波电感电流"A:);当采集的电 流信号z'为滤波电容电流^时，《"为当前拍的滤波电容电流:<formula>formula see original document page 7</formula>(2A4)利用公式(A4)计算下一拍的控制信号W"1):
<formula>formula see original document page 7</formula> ( A4 )
其中 、、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^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^减去滤波电感电流^产
生电流误差信号^ ，电流误差信号6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z: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"
(2B)当采集的电流信号/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^ + l)，其中^(W为当前拍的控制信号，/。(Q为当前拍的
负载电流
<formula>formula see original document page 7</formula>B，=
-丄r广 -丄r 1 -丄r r(e 2丄 cosfi^r十-e 2￡ sin6^r一l)--e 2￡ sin^^r
-丄r y -丄r
一e 2丄 cos6^77--e 2L sin^r + l
2丄a^
"12
c,=[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
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。
Z^为图8和图9中状态观测器11的反馈增益矩阵，按照0i-Z/,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^ + l):
=(之—/V》
洲
(B2)
1 0
r i
c,[o i]
A为图8和图9中扰动观测器12的反馈增益矩阵，按照(^-H/:》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A即可。
(2B3)利用公式(B3)计算下一拍的电压误差信号观测值^0t + l)，其中 ^("1)为下一拍的参考量
g(A: + l) = Mr(/(: + l)-《0(/t + l) (B3)
(2B4)计算下一拍的电流给定信号",^ + 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 ",^+l),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/(观+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):
",h +1) = [、 + 、Tz /(z -1) + & (z -1) /(rz脱(A +1) +(A: +1)(B 5)
下一拍的电流预给定信号^("1)经过限幅后为下一拍的电流给定信号 w,JA: + l)。
(2B5)利用公式(B6)计算下一拍的电流误差信号e2(hl)，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 《(A: + 1)或下一拍的滤波电容电流观测值((A: + 1)"(/U1)-i(/t + l);当有负载电 流前馈时，下一拍的电流观测值f("l)为下一拍的滤波电感电流观测值
e2(A: + l) = ^(A; + l)_z、 + l) (B6) (2B6)利用公式(B7)计算下一拍的控制信号^0t + l):
Wl O +1) = [、 + 、rz /0 - 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"。(/t)和当前拍的负载电流/。(/t)观测出下一拍的输出电压
观测值《。(^ + l)和下一拍的滤波电感电流观测值〖("l)，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。(Q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4(* + 1)与参 考量",0t + l)比较后产生的下一拍的电压误差信号观测值^(hl)经过电压PID 数字控制器7产生下一拍的电流给定信号~(*+1)，下一拍的电流给定信号 ^(/Ul)减去下一拍的电流观测值一 + l)产生下一拍的电流误差信号e^ + l)，
其中下一拍的电流观测值一 + l)为下一拍的滤波电感电流观测值^ + l)或下 一拍的滤波电容电流观测值iOt + l)。下一拍的电流误差信号&("1)经过电流 PI数字控制器8最后得到下一拍的控制信号^("1)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"。W和当前拍的负载电流/。W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UQ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&(;ui)与参 考量 ("1)比较后产生的下一拍的电压误差信号观测值^hl)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 (("l)得到下一拍的电流预给定信号^Ot + l)，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 ^(yt + l)减去下一拍的滤波电感电流观测值^ + l)产生下一拍的电流误差信 号&()t + l)，下一拍的电流误差信号^^ + l)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
《10005、-
100r、z2&
ri0，5 =，尸=，
100000Z4、
000621Z5
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
求方程(、-C)《-A:2 .K +《= 0的实根即为、，即
10其中，a = [-3A:2./t5/(/V77/t5—C)-(/^+/^4)2/014."^-02]/3 ，
6 = [2" + *4 )3 / (V " & - C)3 + H (4 + & ) / "4." & - C)2 + 27《-V (V " & _ C)] / 27 ， 、=[W(V"^ -c)&]/^ ，
(3) 禾l」用下一拍的控制信号"^ + l)对逆变器2进行控制；
(4) 令k-k+l，重复步骤(1) (3)，直至工作结束。
以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于 该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下 完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。
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)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。
专利摘要本实用新型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，本实用新型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H02M7/42GK201369685SQ20092008386
公开日2009年12月23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