（电力电子与电力传动专业论文）中频电源波形控制策略研究.pdf

中冈科学院l u t 酬究所坝i 。学位论义 中频i u 源波形摔制策略研究 a b s t r a c t t h i s p a p e r f o c u s e so i l v o l t a g er e g u l a t i o ns t r a t e g i e s o f4 0 0 h z c v c f ( c o n s t a n tv o l t a g ec o n s t a n tf r e q u e n c y ) i n v e r t e r t h ep u r p o s eo f v o l t a g er e g u l a t i o ns t r a t e g i e s i st oo b t a i nl o wt h d ，s m a l ls t e a d y - s t a t e e r r o ra n d g o o dd y n a m i cr e s p o n s ei nf a c eo f v a r i o u sl o a d s t oa c h i e v et h e g o a l ，s e v e r a lh i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o l l e r a r ed e s i g n e db a s e do nt h e r e s e a r c ho f r e p e t i t i v ec o n t r o l l e r , d e a d b e a tc o n t r o l l e r , m u l t if e e d b a c kl o o p c o n t r o l l e r r e p e t i t i v ec o n t r o l l e ri sd r a w i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na si t c a l l o b m i nl o ws t e a d y - s t a t ee r r o r m o r e o v e rt h e r ei so n l yo n ev a r i a b l eo ft h e s y s t e m n e e d e dt om e a s u r e b u tt od e s i g na r e p e t i t i v ec o n t r o l l e ri sn e v e r a e a s yj o b t h e r ei s n o tac o m m o nm e t h o dt od e s i g nah i 曲p e r f o r m a n c e r e p e t i t i v ec o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r ，ar e s e a r c hi sc a r r i e do u to n t h eb a s i c t h e o r yo fr e p e t i t i v et h e o r ya n dt h ed e s i g nm e t h o do f t h ec o m p e n s a t o r b a s e do nt h e p e r f e c tc a n c e lt h e o r y d e a d b e a tc o n t r o li ss u c h am e t h o dt h a ti t s a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e a r eb o t h o u t s t a n d i n g 1 1 1 e m a i n d i s a d v a n t a g e i st h a t p e r f o r m a n c eo f d e a d b e a tc o n t r o l l e ri sd e p e n d e n to nt h ep a r a m e t e r so ft h e i n v e r t i ft h es y s t e mp a r a m e t e r sa r en o ta c c u r a t e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o n t r o l l e rw i l ld e c r e a s e i nt h i sp a p e r ，ar e p e t i t i v ed i s t u r b a n c eo b s e r v e ri s i n t r o d u c e dt os u b s t i t u t et r a d i t i o n a ld i s t u r b a n c eo b s e r v e ru s e di nd e a d b e a t c o n t r o l l e r s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h eh j i g hp e r f o r m a n c eo f t h er e p e t i t i v ed i s t u r b a n c eo b s e r v e r a tt h el a s to ft h i sp a r t ，t h eu s eo f p a r a m e t e r e s t i m a t i o ni nd e a d b e a tc o n t r o li sa l s od i s c u s s e d m u l t if e e d b a c kl o o pc o n t r o lh a sb e e nd r a w i n g al o to f a t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r s d u et oi t se a s eo fd e s i g n a t i o na n di m p l e m e n t a t i o n u n f o r t u n a t e l y i tc a l ln o tc o m p l e t e l y e l i m i n a t et h es t e a d y e r r o ro f s y s t e m i nt h i sp a p e r ，d i s t u r b a n c ed e c o u p l i n ga n d i i r e s o n a n tc o n t r o l l e ra r e e m p l o y e d i nm u l t if e e d b a c k l o o p t oe l i m i n a t e s t e a d s t a t ee r r o ro f s y s t e m 。 f i n a l l y ，t h ec h o i c eo f c o n t r o lm e t h o du n d e rd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n i sd i s c u s s e d k e y w o r d ：c v c f ；v o l t a g er e g u l a t i o n ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；d e a d b e a t c o n t r o l ；m u l t il o o pf e e d b a c k c o n t r o l h i ! 塑堕堕丝型生旦堕! ! ! 型上堂丝堡兰 ! 塑! ! 塑鲨堑丝型丝堕竺塑 1 1 课题背景 笫一章绪沦 中频电源一般指输出频率为中频( 常用的为4 0 0 h z ) 的单相或者i 斗1 1 变频 电源，广泛应用于航空航天、舰船、机车、感应加热以及雷达、通信交换机等 设备中。 中频电源作为一种电源变换装置，它必须将工频输入电压变换为适用于工 业应用的频率和电压。一般来说，整流和逆变是两个必不可少的环节。图i 1 1 是典型的中频电源结构框图。工频交流电输入经整流器将交流变成直流，逆变 器再将直流变成中频交流。中频电源中c v c f ( 恒压恒频) 逆变器为整个中频 电源系统的核心，它对中频电源的供电质量起着决定性作用。 f 频屯源 辂流器 c v c f 逆变器 幽1 t 1 中频电源框幽 作为高质量的中频电源，不仅要能够输出稳定的电压，更重要的是输出电 压中要有较小的谐波含量。 对于c v c f p w m 逆变电源，输出电压畸变来源于谐波电流在逆变器输出 阻抗的压降。如果降低逆变器输出阻抗，则可以解决电压畸变问题。一种方法 是在逆变器输出端增设l c 谐振支路，通过合理设置其谐振频率，可以做到对 特定次谐波输出阻抗近似为零。但是此方法对每一次谐波都要增设一个l c 支 路使得电源体积、重量、成本大大增加。另一种方法是通过提高丌关频率来 减小滤波电感。从而降低逆变电源输出阻抗。这种方法对于小功率产品十分适 合，但是对于中、大功率，受器件限制，开关频率不可能很高，滤波电感减小 的余地不大，此方法受到了限制。 如果能够在不改动硬件的前提下，通过一定的控制方法减小输出电压谐 波，那么这种方法的优势是不言而喻的。通过研究发现，引入输出电压的瞬时 值反馈控制可以明显增强电源系统抗御非线性负载扰动的能力，减小了电压输 出波形畸变。这是因为所有输出电压瞬时值反馈控制技术能使p w m 逆变器的 闭环输出阻抗相对丌环时大大降低。与增设无源滤波环节或单纯提高丌关频率 的方法相比，通过控制手段降低输出阻抗的方法要简单有效的多。 中固科学院1 u t 圳j e 所倾i j 学位论空 中频i u 源波形摔制策略研究 对于逆变电源系统而言，除了非线性负载外为了防止桥臂直通而设置的 死区延时也会对电压波形造成影响。死区的存在使得理想p w m 输出电压中叠 加了一组高频脉冲，其幅值、频率与p w m 脉冲相同，宽度等于死区时间，包 络线为方波，这一波形中包含开关频率以下的低次谐波，增加了输出电压波形 的畸变。为了克服死区的影响，可以采取各种措施进行补偿。但这些补偿措施 对非线性负载的影响是无效的。但是采用波形控制技术后，作为一种闭环控制 手段，它不但能克服非线性负载影响，同样也可以克服死区效应的影响。 本文所要研究的就是通过适当的控制策略使c v c f p w m 逆变器输出电压 波形在各种负载情况下下保持理想f 弦波。由于4 0 0 h z 系统中基波频率与丌关 频率之间的差距远较5 0 1 6 0 h z 系统要小，在开关频率难以大幅提高的情况下， 波形控制更加困难。对4 0 0 h z 系统的波形控制技术进行研究是必要的，而且 4 0 0 h z 系统波形控制技术对5 0 6 0 h z 系统一般也都适用，所以，对它的研究有 广泛的应用背景。本文正是针对这一背景提出来的。 1 2 国内外波形控制技术的研究现状和发展勃 由于逆变电源输出电压t h d 含量是电源的一个重要性能指标，因此波形控 制技术一直是p w m 逆变器领域的研究热点，多年的研究产生了种类繁多的控 制方案。以下对此作一简要介绍。 ( 1 ) p i 控制 p i 控制以形式简单、参数易于设计、理论成熟为特点，成为当前最经典， 应用最广泛的控制方式。在电源中，有采用输出电压有效值反馈和瞬时值反馈 两种形式的p i 控制。对于采用瞬时值反馈的p i d 控制系统，由于空载的逆变器 模型近似于二阶临界振荡环节，积分器的作用又会增加相位滞后，因此为了保 证系统稳定，控制器的比例p 必须加以限制，因此控制系统的动念性能一般， 系统对非线性负载扰动的抑制效果不好。由控制理论可以知道，对于正弦指令 信号，p i 控制器不能实现无静差跟随，所以输出电压的稳态精度必然会受到影 响，实际系统中往往增加电压均值反馈外环来保证稳态精度。 ( 2 ) 多环反馈控制口】【4 】 5 l 【6 1 对于电压单闭环控制系统而言，只有当负载扰动的影响在系统的输出端表 现出来以后，控制器才能有所反应。由电路结构可以知道，电流的变化快于电 压的变化，如果在逆变器的电压环内增加电流内环，利用它就可以大大提高系 统的动态性能，可以及时消除负载扰动的影响。同时由于内环对系统特性的改 造，系统稳定性加强，电压外环设计大大简化。多环反馈控制( 通常指双闭环 控制) 同时具备优良的动、静特性，是一种理想的波形控制方案。但它也有不 足之处：一是不能完全消除静差，二是如果存在非线性负载扰动，电流内环为 中罔科学院l u 丁研究所颂i 学位论义 中频i u 源波彤摔制策略研究 了抵御此扰动，需要很快的速度，这使得内环只能采川模拟f 乜路实现，数。，控 制器难以达到满意的速度。 ( 3 ) 无差拍控制。o 儿 h 2 1 1 3 1 状态变量的无羞扣控制f 一枉：1 9 5 9 年就由k a l m a n 提! 忆f h 足直到8 0 印代r i i 期，无差拍控制才在逆变电源上得以应用。随着高性能处理器的出现和无差拍 理论研究的深入，针对逆变电源的无差拍控制已经广泛开展起来而且取得了 不少研究成果。无差拍控制是在控制对象离散学模型的基础i 二根据系统的状 态方程，和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。如图 1 2 1 所示的逆变电源中，可以将负载等效为一个电流源其值为任意值。选 择输出电压v ，电感电流f ，为状态变量，系统状态方程为： 嗍i 2 1c v c f 逆变电源框图 i 量= i x + b u ly = c x 式中x = 【v i 】7 ，y = v ，u = 【v i o 7 ； 月= 一0 工1 z ：b = 。盖一苫。 ：c = t 。， 将状态方程离散化得： i x ( t + 1 ) = 一。x ( 女) + b u ( t ) 【y = c x ( k ) 式中a * = e a t = ：a q 2 2 2 ，口= 。”一。口= f l j 0 2 l , ：”2 2 ，l 口2 ij o j 式中t 为采样周期，i 为单位矩阵。 由离散状态方程得：v ( t + 1 ) = 口1 l v ( k ) + a 1 2 1 ( k ) + a 2 1 u ( k ) q - c 1 2 2 l ( k ) 。 上式表明，输出电压得下一次采样值是本次输出电压、电感电流、逆变器 输出电压以及负载电流采样值的线性组合。令输出电压( ，( t + 1 ) 与其指令参考 0 v , ! f ( t + 1 ) 相等，就得到无差拍控制律： u ( k ) = 【v ，d ( k + 1 ) 一口l l v ( ) 一a 1 2 f l ( 七) 一b 1 2 i o ( k ) 6 1 l ， u ( k 】是由逆变器直流母线电压e 和脉冲宽度t ( k ) 决定的。脉冲宽度t ( k ) 可以由下式计算：7 1 ( ) = u ( k ) t i e 。 中国科学院i u t 研究所顿i + 学位论空 中频l b 源被形拎制策略研究 此算法在每个采样间隔发出的控制量t ( k ) 是根掘当i j i 时刻得状态向量和下 一个采样时刻的参考正弦波计算出来的。由负载扰动或非线性负载引起得输出 电压偏差可在一个采样周期得到修正。早期的无差拍控制是基于阻性负载假 设，负载适应性差。采用扰动观测器可以实时预测负载电流，显著增强了负载 适应性。针对计算延时影响直流电压利用率得问题，可以采用状态观测器将控 制作用提前一拍柬解决。 目前，用于逆变器控制的无差拍控制已经发展了五种不同的方法： 】) 以阻性负载为基础的无差拍控制： 2 1 以扰动观测器为基础的无差拍控制i 型： 3 ) 以扰动观测器为基础的无差拍控制器i i 型； 4 ) 以内部模型原理为基础的极点配置无差拍控制： 5 1 以数字p i 调节为基础的无差拍控制 其中以阻性负载和扰动观测器为基础的无差拍控制器是主要的研究对象。 无差拍控制是一种优点和缺点都很突出的控制方式。无差拍控制的优势在 于极高的动态性能，输出能够很好地跟踪给定值，波形畸变小。最大的缺点则 是对系统的数学模型精度要求很高，而这在实际应用中并不容易达到。另外， 由于它具有在一个采样周期内消除误差的特性，控制动作往往非常剧烈，当数 学模型与实际对象有差异时，不但不能达到控制效果，反而会造成输出性能恶 化甚至系统不稳定，输出电压发生振荡，危害逆变器的安全运行。 ( 4 ) 状态反馈控制 从控制理论的角度来说，闭环系统性能与闭环极点( 特征值) 密切相关， 经典控制理论用调整开环增益及引入串、并联校f 装置来配置闭环极点，以改 善系统性能；而在状态空间的分析综合中，除了利用输出反馈以外，主要利用 状念反馈来配黄极点，它能提供更多的校正信息，从而得到最优的控制规律， 抑制或消除扰动的影响。从状态空自j 角度看，单闭环控制系统性能不佳的原因 可以解释为单独的输出反馈未能充分利用系统的状态信息，如果将输出反馈改 为状态反馈，应该能够改善控制效果。与多环反馈控制类似，状态反馈波形控 制系统也需要两个或两个以上反馈变量，但是并不用它来构成独立的闭环控制 回路，而是在状念空间概念上通过合理选择反馈增益阵来改变对象的动力学特 性，以实现不同的控制效果。 状态反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任 意配置闭环系统的极点。不过，由于建立逆变器状态模型时很难将负载特性完 全考虑在内，所以状态反馈控制只能针对空载或假定阻性负载进行。如果不采 取相应措施( 增设负载电流前馈补偿，预先进行鲁棒分析等) ，则负载的变化 将导致稳态偏差的出现和动态特性的改变。 ( 5 ) 滑模变结构控制【7 】【8 1 【9 】 一d 中冈科学院i u - r 研究所坝i j 学位论文 中频i u 源波彤挖制策| | l 埘究 所谓变结构是指在系统工作中，根据运行参数的变化使系统中环：肖之问的 联结方式发生变化，或者某些信号的极性发生变化，具有这类特征的控制系统 均可成为变结构控制系统。 滑模变结构控制是一种非线性控制方法，它是利用某种不连续的丌关控制 策略来强迫系统的状念变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模念”轨迹 运动，以达到预期的性能。它起源于对继电特性和b a n g b a n g 控制系统的研 究。滑模变结构控制系统的最大优点是其对参数变化和外部扰动不敏感，具有 强鲁棒性，而且其固有的开关特性，自然吸引了众多学者将它应用于逆变电源 的控制之中。早期逆变电源的滑模控制采用模拟电路实现，硬件电路复杂，而 且控制功能有限。虽然可以用高性能处理器代替模拟控制电路，但是由于连续 滑模控制器的设计方法不能直接用于离散滑模控制器的设计，离散采样可能会 导致系统振动或系统不稳，因此需要完全不同的离散滑模控制技术。适合微处 理器的离散滑模控制器的设计方法虽然能够使得逆变电源输出波形有着较好的 暂念响应，但是系统的稳念性能却不够理想。有学者在离散滑模控制的基础上 引入了前馈策略，改善了稳态性能，取得了较好的动、静念性能。但是当负载 超出f 常值后，滑模控制器的负担会变得非常重。 滑模控制具有快速性和强鲁棒性的优点但在应用上也存在些障碍。首 先对于逆变电源系统，理想的滑模切换面很难选取；其次，滑模变结构控制只 有采用数字形式实现才具有大的应用价值，而数字式滑模变结构控制只有当采 样频率足够高时才能有较好的控制效果。这些缺点限制了它的应用。目前采用 滑模的逆变电源还停留在实验室阶段，尚需进一步的研究爿能应用到实际产品 之中。 ( 6 ) 模糊控制 模糊控制属于智能控制的范畴，它具有不依赖控制对象数学模型的特点。 自从l a z a d e h 建立模糊逻辑这一理论以来，模糊控制已广泛应用于各类控制 领域，对于具有多变量非线性时变特性的电力电子装置，系统存在复杂性与模 型精确性之间的矛盾。而模糊控制能够在准确与简明之间取得平衡，有效地对 事物作出判断和处理。对于逆变电源系统而言，模糊控制器有以下优点： ( 1 ) 模糊控制器的设计过程不需要被控系统精确数学模型，模糊控制器有 着较强的鲁棒性和自适应性。 ( 2 ) 查找模糊控制表所占用的处理器时间很少，因而可以采用较高的采样 率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。 文献f 3 7 j 将模糊控制与无差拍相结合，由前者补偿无差拍控制在非线性负载 时的电压跌落，降低了非线性负载时的波形失真。原理框图见图1 2 2 。该系统 克服了无差拍控制对参数敏感的问题，使得系统有较快的暂念响应，很小的 t h d ，对参数变化的强鲁棒性。从理论上已经证明，模糊控制可以以任意精度 中国科学院l u t 研究所坝l 学位论丘： 中频l b 源被彤挣制策略研究 逼近任何非线性函数，但是由于当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊 规则数都受到限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为 因素，因此模糊控制的精度仍有待提高。 幽1 2 2 带存模糊补偿器的逆变电源系统 l ( 7 ) 重复控制【1 7 】【l s l 从波形控制的发展可以看出，无论是p i 控制、无差拍控制还是滑模控制 和模糊控制，都是通过提高系统动态性能的方法抑制干扰，改善输出波形质 量。这种方法对负载突加突卸情况下波形的控制有很好的效果，但是对于周期 性的扰动，例如整流型负载时，上述方法的效果并不理想。而对于此种情况， 采用重复控制技术可以取得非常满意的波形控制效果。重复控制是基于内模原 理的一种控制理论，与其它控制器不同，重复控制器并不追求很高的动念特 性，它利用扰动的“重复性”这一规律，“记忆”扰动发生的位最，根据相应 的控制规律，有针对性地修正输出波形，从而在稳念条件下实现对给定正弦信 号的完美跟踪。 内模原理指出，在一个闭环调节系统中，如果反馈回路中包含一个描述外 部信号动力学特性的数学模型( 即内模) ，那么该系统具有理想的指令跟踪特 性和对扰动抑制能力。内模的概念早在5 0 年代就已提出，之后不少学者对此 进行了探讨，1 9 7 5 年b a f r a n c i s 和w m w o n h a m 发表了线性多变量调节器 的内模原理一文，正式建立了内模理论。 但是在内模理论的应用中，存在这样一个问题：在某些系统中，扰动信号 不是单一频率| 下弦信号，频谱中包含了多种谐波频率，因此在使用内模理论 时，必须对每一个干扰信号设置一重内模，当谐波成分较多时，内模数量很 多，控制器在工程上难以实现。 为了解决这个问题，t i n o u s 于1 9 8 1 年提出了重复控制的概念，并进行了 成功的应用。由于重复控制独特的性质，吸引了以s h a m 、m n a k a n o 和t o m a m 为代表的一批学者对重复控制理论进行研究。1 9 9 5 年，s h a m 从数学上 证明了重复控制的本质是基于内模原理的控制方法，并将此结论推广到多变量 中闺科学院i u t 研究所倾i 。学位论文 中频l u 源波形控制策略w f 究 系统一 ，克。份了m 复控制f j i l l ! 沧体系。山j ：重复控制器多采川数。一控制的彤 式，m t o m i z u k a 和k c h e w 等学者对离散时问域的重复控制特性进行了研 究，并针对不精确的控制对象模型提出了改进的离散重复控制器。至此，传统 的重复控制理论以及设计方法基本成熟，重复控制器在机械、铸造、机器人、 卫星姿态控制以及硬盘磁头定位等领域得到了广泛应用。当前重复控制理论的 研究重点主要集中在两个方面：第一是新的重复控制器设计方法；第二是参考 信号或扰动信号为变周期信号的重复控制理论。 山于重复控制理论独特的性质，它也引起了电源方面专家的注意。为了解 决整流型负载引起的输出电压波形畸变，t h a n e y o s h i 、a k a w a m u r a 和 r g h o f t 在逆变电源引入重复控制器1 3 0 1 ，丌创了重复控制理论的个新的应用 领域。但是受当时硬件条件的限制，谐波的抑制效果不太理想。最重要的是， 在这一时期的应用中，由于重复控制理论的不完善，加上忽视了电源系统与机 械系统的差别，采用了针对机械系统的方法设计电源系统的重复控制器，导致 系统的稳定性较差，这使得在其后的一个阶段，重复控制器仅作为辅助控制器 与其它控制器结合使用。为了解决系统稳定性的问题? 文献【2 2 】【2 5 l 给出了一种相 对简单的方法，通过对内模参数和外部补偿器的研究找到了改善系统稳定性的 途径，但是对系统的稳态性能有较大的牺牲，谐波抑制作用有所下降。如何设 计稳定且高性能的重复控制器是当前的一个研究热点。对于电源系统而南，除 了稳态性能以外，动态性能也是一项重要指标。由于重复控制器结构上存在周 期延时环节，动态性能不如其它方法的控制器，为了得到满意的动、静特性， 当前有很多学者研究将重复控制器与其它控制器结合，例如无差拍技术、状态 反馈等，采用这些方法大大降低了负载突变对系统的影响。但是对于非线性负 载引起的误差，系统的收敛速度并没有改善。从现有文献来看，此种误差收敛 时问大于7 个参考信号周期，有的甚至为数秒，而且采用多控制器造成系统结 构复杂，设计困难。根据重复控制理论可知，理想情况下误差收敛仅需一个参 考信号周期，因此在不添加其它控制器的情况下，如何最大程度的发挥重复控 制器的性能是当前重复控制研究的一个重要方向。 1 3 课题方案的选择 在上面介绍的各种逆变器波形控制技术中，理论较为完善，实际控制效果 比较好的方案主要有无差拍、多环反馈控制、重复控制这三种。如前面所说， 这三种方法都有其优点，也都有其缺点，通过对这三种方案进行系统的研究， 设法弥补其不足之处使其能在4 0 0 h z 、c v c f 逆变器的波形控制中取得优越 的性能。所以，无差拍控制、多环反馈控制、重复控制是本文的主要研究对 象。由于三相电源系统可以解耦成为两个独立的单相系统，所以本文所研究的 波形控制技术都是针对单相系统。 中困科学院i u t 州z 所坝i 学位论空中频l 乜源波形挡制策略研究 1 4 论文的主要研究工作 本文主要进行的是中频电源波形控制技术的研究，包括理论研究与工程实 现，具体涉及到电力电子、自动控制理论、数字信号处理、d s p 软硬件设计等 多方面知谚 的结合。考虑到时间有限，本文进行了以下几项工作： 1 、对重复控制器的基本理论和内模的设计进行了研究。对重复控制器的改进内 模设计和重复控制器的稳定性、谐波抑制能力、收敛性进行了理论研究。针对 重复控制器的设计难点，基于完美对消法，对重复控制器的核心部件一补偿器 的设计进行了探索。 2 、对无差拍控制器的两个主要类别分别进行了研究。针对传统扰动观测器的局 限性，引入了一种重复扰动观测器，仿真结果证明了这种观测器的优越性能。 针对无差拍的参数敏感问题，对基于参数辨识的无差拍控制进行了探索。 3 、对多坯反馈控制进行了系统的研究。针对多环反馈控制存在的稳态性能方面 的欠缺，首先研究了扰动解耦的方法，仿真结果证明了这种方法的有效性。最 后提出了一种新颖的控制方法一包含谐振控制器的多环反馈控制，并对这种控 制方法进行了理论上和工程实现上的详细研究。仿真结果和实验结果都证明这 种控制方法的优越性能。 4 、在t m s 3 2 0 f 2 4 0 上实现了完整的中频电源控制程序。 中困科学院i 也r 倒f 究所坝i j 学位论文 q 1 频l u 源波形栉制策略 ! j i _ 究 第j ：章批j ：p s i m 5 0 的仿真方法 在波形控制技术的研究中，仿真占据了很重要的地位，选择一个好的仿真 软件是非常重要的。在本文的全部仿真：i 二作中，使用的都是p s i m 仿真软件。 2 1p s i m 5 0 简介 p s i m 5 0 是一种非常实用的实时仿真软件，功能非常强大，对模拟电路， 数字电路以及电力电子电路都能进行分析。与p s p i c e 相比较，其最大的优点是 人机界面友好，使用非常简单。p s i m 5 0 的元件库中有大量的基本元件的模 型，例如各种输入电源、功率模块、逻辑模块、控制模块等。用户可直接从元 件库晕选取需要的模块，按自己的要求修改其参数后使用；也可利用其元件库 晕的基本元件具有一定功能的电路模块。此外还可以利用d l l ( d y n a m i cl i n k e d l i b r a r y ) 进行仿真，这种仿真方法可以弥补利用电路图仿真不够灵活的缺点，实 现一些非常复杂的控制算法的仿真。此外，由于d l r 采用c 语言编程，相当于 对所设计控制算法的一种实现，在能够采用c 编程的d s p 中，仿真的程序代码 只要经过少量的修改就可以移植到d s p 中。论文中采取的主要是这种仿真方 法。 2 2d l l 在p s i m 5 0 仿真中的用法 下面以一个p s i m 自带的例子来简单说明d l l 的用法 d l lf r o mm i c r o s o f tc c + + u s e r l c 1 d l lf r o mb o rf a n dc + + ( s o u = c ec o d e ：b c u s e r l c p p l 鳘| 2 2 1 基丁d l l 的仿真方法实例 上图中使用了两个d l l ，其功能相同。上方的d l l 是在v c 6 0 下编译得 柬，下方的是在b o r l a n dc + + 5 0 下编译得来。实际使用时两种编译器任选一种 均可。上图中d l l 的功能是把3 路输入信号放大5 倍，d l l 的源程序如下： * d l l 编译步骤： c r e a t ea d i r e c t o r yc a l l e d ”c ：、a n s _ u s e r i ”，a n d c o p y t h ef i l e 9 ! 里型兰堕! ! ! 业型堕竺! ! 兰些堡兰 生塑! ! 堡些丝丝型兰堕型壅 ”m s _ u s e r l c ”t h a tc o m e sw i t ht h ep s i ms o f t w a r ei n t ot h ed i r e c t o r y c ：r n s _ u s e r l - s t a r tv i s u a lc + + f r o mt h e ”f i l e ”m e n u c h o o s e ”n e w ”。i nt h e ”p r o j e c t s ”p a g e ，s e l e c t ”w i n 3 2d y n a m i c l i n kl i b r a r y ”a n ds e t ”p r o j e c tn a m e ”a s ”m s _ u s e r l ”，a n d ”l o c a t i o n a s ”c ：、_ m su s e r l ” m a k es u r et h a t 。c r e a t en e ww o r k s p a c e ”i ss e l e c t e d ，a n du n d e r “p l a t f o r m ”。w i n 3 2 ”i ss e l e c t e d 一 f o rv e r s i o n6 0 】w h e na s k e d ”w h a tk i n do f d l lw o u l d y o ul i k e t oc r e a t e ? ”s e l e c t ”a ne m p t yd l l p r o j e c t ” 一f r o mt h e ”p r o j e c t ”m e n u ，g ot o ”a d dt o p r o j e c t ”f i l e s ”，a n d s e l e c t ”m su s e r l c ” 1 - f r o m t h e ”b u i l d ”m e n u ，g ot o ”s e ta c t i v ec o n f i g u r a t i o n s ”，a n d s e l e c t ”w i l l 3 2r e l e a s e “f r o mt h e ”b u i l d ”m e n u c h o o s e ”r e b u i l d a l l t og e n e r a t et h ed l lf i l e ”m su s e r l d l l ”t h ed l lf i l ew i l lb e s t o r e du n d e rt h ed i r e c t o r y ”c a m su s e r l x r e l e a s e ” d e c l s p e c ( d l l e x p o r 0v o i dm s _ u s e r l 化d e l l ，i n ，o u t ) n o t et h a ta l lt h ev a r i a b l e sm u s tb ed e f i n e da s ”d o u b l e ” d o u b l e t ，d e l l ； d o u b l e4 i n + o u t ； i n t i ； f o r ( i - 0 ；i 3 ；i 什) o u t i 】= i n i l 5 ； ) 程序中i n 为一个数组，代表输入信号，o u t 是输出信号数组。将i n 数组的 数掘读入后，经所设计算法处理后由o u t 数组输出。d l l 的编译方法在程序头 部的注释中有详细说明。 0 中固科学院i u t f l j f 究所坝i 学位论义中顿1 u 源波彤控制策略f i 】f 究 2 3 仿真模型 | 茎i2 3 1 基丁d l l 的仿真模刑 图2 2 2 所示为论文仿真工作所使用的仿真模型。”，( 电容电压) 、i ，( 电感 电流) 、i ，( 电容电流) 、f 。( 负载电流) 山传感器测得后连接到d l l 输入端。信 号采样与保持的控制由d l l 内部完成。控制算法选择所需的信号，处理完后产 生4 路p w m 驱动信号山输出端输出至h 桥逆变器四个i o b t 管门级。输入端 其它管脚接上直流电压源作为控制器的参数调节器，如果需调节参数较少，将 未使用电压源的幅值设为0 即可。输出端除去o 3 管脚( 四路p w m 输出) 外， 其余管脚可作为控制器任意一个中间量的输出端。 中困科学院i u t j j f 究所颅i j 学位论文 中频l 也源波形拎制策略研究 第三章重复控制器设计方法研究 3 1 重复控制器原理 重复控制是基于内模原理的一种控制思想。所谓“内模”，是指在稳定的 闭环控制系统中包含外部输入信号的数学模型。下面是内模原理的具体表述： 对于一个控制系统而言，如果控制器的反馈来自被调节的信号，且在反馈回路 中包含相同的被控外部信号动态模型，那么整个系统是结构稳定的。内模原理 的本质是把系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系 统。这样的系统能够无静差的跟随输入信号对于所有的无静差系统，都存在 这样的问题，即当输入信号趋于0 时，如何保证继续输出适当的控制信号，维 持合适的控制作用。此时虽然给定信号和反馈信号依然存在，但误差信号为 0 ，系统信号通路已经断丌，输出与输入无关，这就要求控制器中必须包含能够 反映外部指令信号或干扰的模型，该模型能持续不断的输出相应的控制信号。 从这个角度来说，内模的作用类似于一个信号发生器，可以不依赖外部变量给 出控制信号。 出控制理论知道，含有积分环节的闭环控制系统可以无静差的跟踪阶跃信 号，而且可以完全抵消作用在积分环节之后的阶跃型干扰。可从内模原理的角 度对此作出解释，阶跃信号的数学模型为1 s ，而闭环系统中的积分环节也是 1 ，s ，系统包含了外部信号的数学模型，从而获得了无静差的跟踪给定信号的能 力，可以将积分控制理解为内模原理的一个典型应用。 当内模中的数学模型描述的是周期性的信号时，那么闭环控制系统就能够 无静差的跟踪该周期信号。如果系统的给定信号或扰动为单一频率的正弦信 号，那么只要在控制器内植入与指令同频的j 下弦信号模型g ( s ) = 1 兰_ ，就可 s 。+ 甜。 以实现系统的无静差跟踪。如果外部信号包含其它频率成分，这种情况下，若 要实现无静差，只能针对每一种频率的信号设置一个内模，如果频率成分较复 杂，那么内模数量就会很大，从应用角度而言不太合理，工程上也不易实现。 而这种情况在实际系统中经常出现，例如机械手在进行重复性动作时，它所受 到的干扰信号并非单一频率的j 下弦信号，频谱比较复杂，形式为指令信号的倍 数关系：负载为整流器的逆变电源的干扰信号除了基波频率外还包含谐波成 分。对于这样的系统，若采用传统的内模控制会使得控制器结构异常复杂。为 此需要寻找一种新的内模形式来描述此种类型的外部信号。 分析可知，上面所述两种情况的干扰信号具有两个特点。首先是可重复 性，即周期性。其次，都是指令信号的谐波形式。因此扰动信号在每个基波周 期都以完全相同的波形出现。对于这样的信号，可采用如下形式的内模： ! 塑型兰堕! ! 三型! ! 堕塑! ：兰丝垫兰 主塑坐塑鲨兰丝型兰堕业壅 g ( s ) = 二石，l 为给定信号的周期。这是一个周期延时一反馈环常，不管什 l c 么形式的信号，只要重复出现，而且频率是基波的倍数，那么该内模的输出就 是对输入信号的逐周期累加。当输入信号衰减为零，该内模依然会不断的逐周 期输出与上周期相同的信号，相当于任意信号发生器。它的作用类似于积分环 节，区别仅在于它是逐周期的累加。因此这样的内模能够满足要求。采用这种 特殊形式内模的闭环控制系统称之为重复控制系统。由于上式中的纯延时环节 e “难以用模拟器件实现，因而在应用中重复控制都是以离散的数字形式实 7 一 现。重复控制器内模的离散传递函数为g = 百，n 为一个周期的采样次 l 一三 数。见图3 1 1 。 n j l 、 t ! 竺：91、 幽3 1 i重复控制器离散模型 对于重复控制系统而言，内模是系统的核心，它提供了稳定持续的控制信 号图3 1 1 表明，当内模为理想情况时，输入信号为0 的情况下输出可以无衰 减的反复重现上一周期的信号但是理想内模的极点分布在虚轴上，处于l 临界 振荡状态，系统稳定性较差。当受控对象的参数稍有变化，整个闭环系统很可 能失去稳定。出图3 1 2 所示的重复控制器基本框图，可得到闭环系统的传递函 数为 r j e 一 一r = f 马吁 二下 - b 一 幽3 1 2 理想内模重复控制系统结构幽 e = r y y = p u ， u i z 歌i z _ n ， l ， 中田科学院l u t 研究所颂l 。学位论文 中频i u 源波形挣制燕略研究 整理可得 e = r ( 1 一z “) + e ( i e ) z 。此式表明，系统稳定的条件是等式右 面第二项是稳定收敛的。为了更直观的讨论，将它转为图3 1 3 的形式。 由图可见，系统的稳定存在约束条件m 一删。 1 ，此处删= s u 州 。这表明 u + 1 图3 1 3 结构框幽 幽3 1 4 改进型内模原理剀 在理想内模条件下，只有满足此约束条件，误差才会收敛。但是在一般情况 下，被控对象难以在整个频段满足此条件，此时可对内模加以改造，即采用 q z “代替z 一，从而保证系统稳定收敛。q 可为小于1 的常数。也可以为具有 低通性质的函数。使得回路满足忡一p ) q z “0 1 。改进型内模结构见图 3 1 4 。但是引入q 之后，内模的“纯积分”特性也被破坏。当输入信号为0 时，改进型内模的输出不能完全复现上个周期的信号，而是逐周期的衰减。如 果q 为常数，那么仅为幅值衰减，如果q 为低通函数，对于非单一频谱的信号 而言，信号的形式会发生变化。以图3 】4 为例，信号的传函为下面形式， 矿u o ：南 (3川)qz u 1 一 “ ”。 差分形式为乩( 女) = ( ) + q u ( i 一) 此式表明每个周期( n 步) 的输出量都会增加，此增量是将上一周期输出值衰 减q 倍。当q 为具有低通特性的函数时，作用完全相同，只是频率越高增量越 小。此方法虽然提高了系统的稳定性，但是牺牲了无静差特性，内模的“纯积 分”变成了“准积分”。 采用改进内模的重复控制器完整框图如图3 3 所示 幽3 1 5 改进弛内模重复控制器结构框图 中旧科学院i u t f i j 究所倾i j 学位论立 中频l u 源波_ l | = ；控制毓略研究 3 2 补偿器设计的完美对消法 1 ) 7 t , 偿器s ( z ) 补偿器s ( z ) 足针对对级p ( z ) 特性而设置的，它决定了重复控制系统的性 能。当重复控制器的内模输出了包含指令和扰动信息的信号后，如何使控制对 象的输m 完美的跟踪此信号，这是补偿器要解决的问题。1 1 1 罔3 1 5 给f f jr 到e 的传递函数： i e = f o - 尹9 z - 而”) ( 1 - p ) = ( 1 - i p ) o 扩- z - ”o ) ( 3 2 1 ) ， l z 一“( 9 一s p )l 位z 一“ 其中口= q s p - 以z ) - m m 池a x 。l i 颤z _ 求解特征方程l z “( q s p ) = o ，系统稳定的充要条件