一種自適應(yīng)逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）的逆變電源在各種類型的交流供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如：不間斷電源（UPS），電壓調(diào)節(jié)器（AVR），可編程交流電源（PAS）等。在這些系統(tǒng)中，要求能在瞬時(shí)或周期性的負(fù)載變動(dòng)下，輸出低諧波含量的波形。許多研究方案利用瞬時(shí)反饋控制技術(shù)，如：瞬時(shí)電壓電流跟蹤法[1]、無差拍控制法[2][3]、狀態(tài)反饋控制法[4]，獲得了較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是這類方法只能使系統(tǒng)對(duì)于瞬時(shí)的負(fù)載變化有較好的調(diào)節(jié)能力，而對(duì)周期性的負(fù)載變動(dòng)所產(chǎn)生的周期性諧波抑制能力則很差。因此，這類系統(tǒng)對(duì)于非線性負(fù)載，如整流性負(fù)載，其輸出總諧波含量仍然很高。另外，上述幾種瞬時(shí)反饋控制的方法，從自身控制原理上講仍存在不足之處，也妨礙了它們的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。其中，瞬時(shí)電壓電流跟蹤法，即所謂兩態(tài)（或三態(tài)）滯環(huán)控制（Delta－PWM），電路的開關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開關(guān)頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機(jī)分布，輸出頻譜的分析較為困難，也不利于輸出濾波器的設(shè)計(jì)[5]。狀態(tài)反饋控制的設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，并要求狀態(tài)反饋增益進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以增加系統(tǒng)的魯棒性，而這兩方面的誤差都可能很大，從而降低了系統(tǒng)的性能。至于無差拍控制，由于其原理是基于電路計(jì)算的方法，因而對(duì)電路中元件參數(shù)的變化非常敏感，這對(duì)于負(fù)載經(jīng)常變動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合更不適用。雖然有的文獻(xiàn)也提出了改進(jìn)的方案，如添加負(fù)載參數(shù)辨識(shí)器[3]，但效果仍然不理想。

PWM逆變電源性能的好壞最終取決于控制策略的優(yōu)劣。自適應(yīng)控制作為一種現(xiàn)代控制的方法，適用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知，或者運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生變化的情況，這無疑為解決逆變電源因負(fù)載變化而產(chǎn)生波形畸變的問題提供了一條思路。筆者正在基于DSP和單片機(jī)196的硬件基礎(chǔ)上對(duì)該種自適應(yīng)逆變電源進(jìn)行深入的研究，它能自動(dòng)地消除由于未知的負(fù)載周期性擾動(dòng)所產(chǎn)生的交流周期畸變，大大提高了電源的品質(zhì)。

2工作原理

見圖1，在該系統(tǒng)中，將逆變橋、LC濾波器及整流性RC負(fù)載的整體作為系統(tǒng)的控制對(duì)象。其中，Ud

圖1自適應(yīng)PWM逆變電源硬件結(jié)構(gòu)圖

為直流電源電壓，g1，g2，g3，g4為功率管開關(guān)信號(hào)，U1，U2分別為電流、電壓反饋信號(hào)。該自適應(yīng)控制方案由圖2表示。

其中：r(k)—參考信號(hào)；

y(k)—系統(tǒng)輸出；

e(k)—誤差信號(hào)；

Q(z－1)、S(k,z－1)—輔助補(bǔ)償器；

rc(k)—經(jīng)補(bǔ)償后的參考信號(hào)；

P(k,z－1)—系統(tǒng)受控對(duì)象的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

該控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：其一為離散重復(fù)控制器，另一為自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器。它們的工作原理如下：

（1）離散重復(fù)控制器

重復(fù)控制是指能消除所有包含在穩(wěn)定閉環(huán)內(nèi)的周期性誤差的控制方案，如圖3所示。

其中，P（z－1）代表被控對(duì)象的傳函，d(k)為干擾信號(hào)，其余信號(hào)的定義與圖2中相同。

由圖可得：E(z－1)和D(z－1)為e(k)，d(k)的Z變換，若d(k)是一個(gè)周期為N的擾動(dòng)，則其Fourier變換為|Cn|代表Fourier系數(shù)

而傳函在頻域內(nèi)可表示為若Q(z－1)=1且P(z－1)是穩(wěn)定的，則

|H(jω)|=0（ω=2nπ/N，n=0，…，N－1）

這表明這些周期性誤差能被重復(fù)控制器所消除，在這種情況下就能獲得無誤差的跟隨。但是，這就要求有很強(qiáng)的穩(wěn)定度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以減弱這一條件，如令：

|H(jω)|μ (jω ) （ ω="2nπ" /N， n="0，" ...， N－ 1）

這里μ(jω)為周期性誤差的允許范圍。

（2）自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器

在重復(fù)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器，就構(gòu)成自適應(yīng)重復(fù)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器從本質(zhì)上講是一種算法，它使系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，能根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)特性調(diào)整控制參數(shù)，以達(dá)到所期望的性能指標(biāo)。在本系統(tǒng)中，自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器利用遞推最小二乘算法（RLSE），實(shí)時(shí)辨識(shí)系統(tǒng)受控對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而依據(jù)期望的性能指標(biāo)對(duì)離散重復(fù)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖2，在本控制方案中，首先構(gòu)成以圖1中信號(hào)U1，U2為反饋的閉環(huán)，將該閉環(huán)的傳函記為P(z－1)，并近似認(rèn)為其為二階時(shí)變結(jié)構(gòu)，即

圖2自適應(yīng)重復(fù)控制系統(tǒng)控制框圖

式中a1，a2為時(shí)變參數(shù)，其控制思想是：首先由自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器在線地辨識(shí)系統(tǒng)受控對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)a1(k)，a2(k)，然后根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)節(jié)輔助補(bǔ)償器S(k,z－1)的參數(shù)，以得到適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制規(guī)律，從而使y（k）跟隨r（k）。由于辨識(shí)是實(shí)時(shí)的，就能使系統(tǒng)總能根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行條件進(jìn)行控制，從而可以提高控制的精度，這也就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的思想。

圖3重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3實(shí)驗(yàn)與效果

根據(jù)文獻(xiàn)[6]該方案已在2kVA，輸出100VAC，60Hz的逆變器上得以實(shí)現(xiàn)并取得了良好的效果。

（1）對(duì)于峰值系數(shù)為3的整流性負(fù)載，相同條件下采用狀態(tài)反饋控制，得到輸出電壓THD值為8％，而采用自適應(yīng)控制后THD值能在0.2s內(nèi)降低為1％[6]；兩種方案下的輸出波形比較如圖4所示。

（2）該方案有效地消除了由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化（包括負(fù)載參數(shù)、元器件參數(shù)）而對(duì)系統(tǒng)輸出造成的影響。

圖4兩種控制方案的輸出波形

(a)狀態(tài)反饋控制方案（b)自適應(yīng)控制方案

（3）與其它控制方案相比，該方案不但具有較快的誤差收斂速度，而且還確保了系統(tǒng)在大的負(fù)載擾動(dòng)下的穩(wěn)定性

（4）與無差拍控制方法中應(yīng)用的負(fù)載參數(shù)辨識(shí)相比，該方案辨識(shí)的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，

即是總體考慮，而不僅僅從局部上著眼，因此更為先進(jìn)，更利于應(yīng)用。

（5）該方案更為有利的是，在設(shè)計(jì)時(shí)不必知道PWM逆變電源系統(tǒng)確切的數(shù)學(xué)模型，而只需在應(yīng)用中用實(shí)時(shí)辨識(shí)的模型代替。這就提供了一條途徑，使得自適應(yīng)控制方法能直接應(yīng)用于傳統(tǒng)的模擬控制的PWM逆變電源中，進(jìn)而有效地提高其輸出的質(zhì)量。

總的來說，本文所介紹的這種PWM逆變電源的自適應(yīng)控制方法具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一種新穎的方法，解決了一些實(shí)際問題。當(dāng)然，作為一種新型的控制方法，它肯定還有不少需要完善的地方。由于自適應(yīng)控制畢竟是一種非線性控制方案，其設(shè)計(jì)自然要比常規(guī)反饋控制復(fù)雜得多，系統(tǒng)建模及穩(wěn)定性分析也非常困難。筆者正在作進(jìn)一步的研究工作，以盡快使其實(shí)用化。