CN113300627B - 一种单相全桥逆变器的离散控制方法及其装置 - Google Patents

一种单相全桥逆变器的离散控制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

一种单相全桥逆变器离散控制方法及其装置。包括以下步骤：控制器在每个开关周期开始时刻检测输出电压、输入电压；电压控制环路用于产生占空比主体duo1，以及高占空比系数KH与低占空比系数KL；两部分相乘产生高低占空比信号，经过比较选择器选择其中一个占空比信号，此占空比信号与三角载波信号生成开关管控制信号驱动单相全桥逆变器开关管的通断。控制装置仅有电压控制环路，无需采样电流，能够获得快速的瞬态响应；在较低的载波频率下依然可以获得较高质量的输出电压，同时减少开关损害，延长了开关管的寿命，降低了生产成本。

Description

一种单相全桥逆变器的离散控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及单相全桥逆变器，特别是一种可作为独立逆变电源的单相全桥逆变器离散控制方法及其装置。
背景技术
独立工作模式下的单相全桥逆变器仍广泛用于工业应用中，例如不间断电源(Uninterruptible power supply，UPS)***和自动电压调节器***。UPS是在市电由于各种原因而被迫断开时能够及时为用电设备提供稳定可靠备用电源。因此对负载的突然变化而具有快速瞬态响应的UPS就显得尤为重要，同时UPS工作于稳态时能够保证供电的纯净度，满足工业生产的要求。这种转换器通常采用LC平滑滤波器和闭环控制结构设计，以产生具有恒定幅度和频率的稳定正弦输出电压。常见的控制方式包括基于比例-积分-微分(PID)调节器的常规单或双闭环控制策略，比例谐振(PR)控制，滑模控制等。单环PID控制有着较大的稳态误差以及较慢的瞬态响应速度；双环PID控制有着较好的稳态误差以及较快的瞬态响应速度，但是需要设计复杂的补偿网络，同时会受到载波频率的限制；PR控制有着快速的瞬态响应速度，但是对输入变化的动态响应较差；滑模控制同样有着快速的瞬态响应速度，但是存在较大的稳态误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相全桥逆变器的离散控制方法，使之获得快速瞬态响应的同时，在较低载波频率时获得零稳态误差。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：单相全桥逆变器的离散控制方法，由变换器和控制器组成单相全桥逆变器的离散控制***，其工作方式包括：在每个开关周期开始时刻检测单相全桥逆变器的输出电压uo；电压控制环路产生高低占空比DH以及DL，同时输出电压uo与参考电压uref进行比较，作为选择高低占空比的开关，将占空比信号与对称三角波信号比较产生开关管控制信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.相对于传统的单相全桥逆变器的控制装置，本发明只需采样输出电压信号和输入电压信号，无需采样电流信号即可实现输出电压较低的THD值，具有良好的稳态性能；在负载发生突变时，亦可实现快速的动态性能。
2.控制环路的设计无需复杂的参数整定即可实现输出电压对参考电压的稳定快速跟踪，提高了***的瞬态响应能力。
3.不依赖载波频率即可实现较高质量的输出电压，降低开关损耗。
本发明的另一目的是提供一种实现上述单相全桥逆变器的离散控制方法的装置。
本发明实现该发明目的所采用的技术方案是：一种实现以上单相全桥逆变器的离散控制方法的装置，由单相全桥逆变器和控制器组成，控制器包括：电压采样芯片、加法器、乘法器A、乘法器B、乘法器C、比较器、误差放大器、数字脉宽调制器。其特征在于：电压采样芯片分别采样输出电压uo、输入电压Udc，uo通过系数1-LCω2和
Figure BDA0003070654720000021
输入乘法器A后，其输出和0.5输入加法器输出占空比主体duo1；经计算产生高占空比系数KH与低占空比系数KL；高占空比系数KH与占空比主体duo1以及输出电压uo经数字误差放大器的输出输入到乘法器B，低占空比系数KL与占空比主体duo1以及输出电压uo经数字误差放大器的输出输入到乘法器C；乘法器B的输出与乘法器C的输出输入比较器，最终比较器与数字脉宽调制器相连。
该装置的工作过程和原理是：通过电压采样芯片采集输出电压与输入电压，由电压制环路产生占空比主体duo1以及高占空比系数KH与低占空比系数KL，将所述占空比主体duo1分别与高占空比系数KH、低占空比系数KL相乘作为占空比信号，经过比较选择器选择所述单相全桥逆变器的开关管控制信号。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明离散控制方法的结构框图，其中S是电压采样环节，D是电压环路占空比信号产生环节，其中DH是高占空比信号产生环节、DL是低占空比信号产生环节，C是占空比信号选择环节，CSP是开关管控制信号产生环节。
图2是本发明实施例的电路结构示意图。
图3是本发明实施例的单相全桥逆变器稳态条件下的输出电压时域仿真波形图。
图4a是基于PI的电压电流双闭环控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至1200W)时变换器的输出电流时域仿真波形图。
图4b是基于PI的电压电流双闭环控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至1200W)时变换器的输出电压时域仿真波形图。
图5a是本发明控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至1200W)时变换器的输出电流时域仿真波形图。
图5b是本发明控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至1200W)时变换器的输出电压时域仿真波形图。
图6a是基于PI的电压电流双闭环控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至500W)时变换器的输出电流时域仿真波形图。
图6b是基于PI的电压电流双闭环控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至500W)时变换器的输出电压时域仿真波形图。
图7a是本发明控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至500W)时变换器的输出电流时域仿真波形图。
图7b是本发明控制单相全桥逆变器在负载发生变化(负载功率在0.185s由1000W跳变至500W)时变换器的输出电流时域仿真波形图。
图8是不同载波频率下，PI控制输出电压THD值与PT控制输出电压THD值曲线对比图。
具体实施方式
以下所描述的实施例，并非仅仅是针对某一个具体实施例的描述，而是对于具有某类技术特征的潜在的实施例的选择性描述，某些技术特征并非是必须存在的。具体到某一具体实施例，其是下面某些技术特征的组合，只要这种组合不是逻辑上的相互矛盾，或者无意义。本发明任意位置出现的“可以/可以是”(may，may be，表示选择，暗示可能还存在其它的替代方式；如果语境中表达“能力”的则除外)，是一种优选的实施例的描述方式，其可以是潜在的其它的替代方式。本发明任意位置出现的技术术语“大致”、“近似”“接近”等近似描述词语(如果存在)描述时，其所要表达的含义是并非要求在严格的实际参数测量后，得出的数据严格符合一般的数学定义，因为不存在完全符合数学定义的物理实体，并非含糊其辞、模棱两可从而导致不清楚。
图1是本发明可作为独立逆变电源的单相全桥逆变器离散控制方法结构框图，具体做法：S是电压采样环节，D是电压环路占空比信号产生环节，其中DH是高占空比信号产生环节、DL是低占空比信号产生环节，C是占空比信号选择环节，CSP是开关管控制信号产生环节；每个开关周期开始时刻，电压采样环节S检测单相全桥逆变器的输出电压uo与输入电压Udc；电压环路占空比信号环节D产生占空比主体duo1，以及高占空比系数KH与低占空比系数KL，两部分相乘产生高低占空比信号；占空比信号选择环节C选择其中一个占空比信号送入开关管控制信号产生环节CSP作为控制开关管的有效占空比信号。
在每个开关周期的开始时刻，电压采样环节检测所述单相全桥逆变器的输出电压uo和输入电压Udc，对采集的输出电压uo与设定的参考电压uref经误差放大器计算出误差放大信号ucon，经过计算，以(1)式作为占空比信号主体
Figure BDA0003070654720000041
(2)式作为产生高低占空比信号的系数K
Figure BDA0003070654720000042
占空比主体duo1与系数K相乘作为占空比信号与三角载波信号比较产生开关管控制信号。
图2是本发明可作为独立逆变电源的单相全桥逆变器的装置图，该装置由变换器和控制器组成，控制器包括：电压采样芯片、加法器、乘法器A、乘法器B、乘法器C、比较器、误差放大器、数字脉宽调制器。其特征在于：电压采样芯片分别采样输出电压uo、输入电压Udc，输出电压uo通过系数1-LCω2和
Figure BDA0003070654720000043
输入乘法器A后，其输出和0.5输入加法器输出占空比主体duo1；经计算产生高占空比系数KH与低占空比系数KL；高占空比系数KH与占空比主体duo1以及输出电压uo经数字误差放大器的输出输入到乘法器B，低占空比系数KL与占空比主体duo1以及输出电压uo经数字误差放大器的输出输入到乘法器C；乘法器B的输出与乘法器C的输出输入比较器，最终比较器与数字脉宽调制器(DPWM)相连，经过驱动电路产生驱动信号ugs，使得逆变器开始工作。
设定：开关频率fs＝50Khz，输出电压参考值
Figure BDA0003070654720000051
输入电压Udc＝400V，额定输出功率1000W，输出滤波电容C＝0.47uF，输出滤波电感L＝4mH，采用MATLABSimulink软件对本例控制方法进行时域仿真，结果如下：
如图3所示，额定情况时(Po＝1000W)的输出电压波形，此时输出电压THD约为0.25％，说明采用本发明控制方法能使变换器保持较低的输出电压THD，获得较高质量的输出电压。
图4为输入电压400V时，输出功率由1000W跳变至1200W时，基于PID的电压电流双环控制单相全桥逆变器时域仿真瞬态波形，图4a为输出电流波形，图4b为输出电压波形，当输出功率发生1000W至1200W跳变时，***输出电压恢复至原状态需要150μs。
图5为输入电压400V时，输出功率由1000W跳变至1200W时，本发明离散控制单相全桥逆变器时域仿真瞬态波形，图5a为输出电流波形，图5b为输出电压波形，当输出功率发生1000W至1200W跳变时，***输出电压恢复至原状态需要70μs。
图6为输入电压400V时，输出功率由1000W跳变至500W时，基于PID的电压电流双环控制单相全桥逆变器时域仿真瞬态波形，图6a为输出电流波形，图6b为输出电压波形，当输出功率发生1000W至500W跳变时，***输出电压恢复至原状态需要500μs。
图7为输入电压400V时，输出功率由1000W跳变至500W时，本发明离散控制单相全桥逆变器时域仿真瞬态波形，图7a为输出电流波形，图7b为输出电压波形，当输出功率发生1000W至500W跳变时，***输出电压恢复至原状态需要300μs。
由此可见，相较于基于PID的电压电流双环控制单相全桥逆变器，采用本发明控制的变换器在输出功率发生变化时具有更好的动态响应。
图8为不同载波频率下，PI控制输出电压THD值与PT控制输出电压THD值曲线对比，在较低的载波频率与较高的载波频率时PT控制输出电压THD值基本保持一致，而PI控制在较低的载波频率时输出电压THD较高，在较高的载波频率时输出电压THD较低。
较低的载波频率意味着较低的开关频率，开关频率较低时开关损耗也就越低，开关管的寿命也会越长久，同时降低生产成本。由此可见，PT控制优于PI控制。
以上实施例均是对本发明的优选设计描述，根据专利法及其相关的规定，实际保护范围以权利要求所确定的保护范围为准，而说明书的内容则可以用于解释权利要求的具体/更进一步的含义。在不脱离本发明的设计要点/精神的基础上，任何对本发明的润色或修饰，均应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单相全桥逆变器的离散控制方法，其中，所述离散控制方法至少包括输出电压采样环节S、电压环路占空比信号产生环节D、占空比控制信号选择环节C和开关管控制信号产生环节CSP，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在每个开关周期开始时刻，所述电压采样环节检测所述单相全桥逆变器的输出电压uo，输入电压Udc；步骤二，所述电压环路占空比信号产生环节产生两组占空比控制信号，高占空比控制信号KHduo1和低占空比控制信号KLduo1，其中，KH为高占空比系数，KL为低占空比系数，duo1为占空比主体；步骤三，所述占空比控制信号选择环节，根据控制信号产生规则，选择合适的占空比控制信号，作为当前开关周期的有效占空比控制信号；步骤四，所述开关管控制信号产生环节根据有效占空比控制信号，产生所述单相全桥逆变器的开关管的控制信号；
所述步骤二的电压环路占空比信号产生环节中包括以下步骤：步骤1，确定占空比主体duo1，占空比主体duo1根据下式求得：
Figure FDA0003617728920000011
其中L、C和ω分别为所述单相全桥逆变器的电感值、电容值和工频角频率，Udc为输入电压，ucon为输出电压uo与参考电压uref进行误差放大得到的误差放大信号；步骤2，确定高占空比系数KH与低占空比系数KL；步骤3，高、低占空比系数分别与占空比主体duo1相乘产生高占空比控制信号KHduo1与低占空比控制信号KLduo1；
所述步骤2中的高占空比系数KH与低占空比系数KL，系数K根据下式求得
Figure FDA0003617728920000012
其中UOm为所述单相全桥逆变器的输出电压uo峰值，P为输出功率，高占空比系数KH为系数K在一个工频周期内最大值，低占空比系数KL为系数K在一个工频周期内最小值，t为时间参数。
2.根据权利要求1所述的单相全桥逆变器的离散控制方法，其特征在于，所述步骤三中的控制信号产生规则为：当输出电压uo小于参考电压uref时，选择高占空比控制信号KHduo1，当输出电压uo大于参考电压uref时，选择低占空比控制信号KLduo1。
3.根据权利要求1所述的单相全桥逆变器的离散控制方法，其特征在于，所述单相全桥逆变器可作为独立运行的逆变电源。
4.根据权利要求1所述的单相全桥逆变器的离散控制方法，其特征在于，所述单相全桥逆变器可以采用数字或模拟方式实现。
5.一种使用权利要求1-4任一项所述的单相全桥逆变器的离散控制方法的装置，其特征在于，该装置包括单相全桥逆变器和控制器，所述控制器包括：电压采样芯片、加法器、乘法器A、乘法器B、乘法器C、比较器、误差放大器、数字脉宽调制器；其特征在于：电压采样芯片分别采样输出电压uo、输入电压Udc，输出电压uo通过系数1-LCω2和
Figure FDA0003617728920000021
输入乘法器A后，其输出和0.5输入加法器输出duo12；经计算产生高占空比系数KH与低占空比系数KL；高占空比系数KH与占空比主体duo12以及输出电压uo经数字误差放大器的输出输入到乘法器B，低占空比系数KL与占空比主体duo12以及输出电压uo经数字误差放大器的输出输入到乘法器C；乘法器B的输出与乘法器C的输出输入比较器，最终比较器与数字脉宽调制器相连。
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