專利名稱：一種狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功率變換電路，特別涉及一種狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制 的逆變電源。
背景技術：
采用數(shù)字控制器可以克服模擬控制器易老化、通用性低、結構復雜等 缺點，因而數(shù)字控制受到廣泛關注。隨著微處理器等微電子技術突飛猛進 的發(fā)展，數(shù)字控制的應用更為普遍。為充分發(fā)揮數(shù)字控制的優(yōu)點，國內外 學者先后提出各種數(shù)字控制方法。
但是，模擬化設計的數(shù)字控制器屬于間接設計，其控制器的任何離散 化方法均有響應失真，導致其控制性能遠不如模擬控制器。另外，重復控 制和無差拍控制作為兩種數(shù)字控制器特有的控制方法，沒有同時兼顧系統(tǒng) 的多方面性能。重復控制根據(jù)內模原理利用誤差信號的周期性積分消除穩(wěn) 態(tài)誤差，但動態(tài)響應速度較慢。無差拍控制根據(jù)參考信號和被控對象的動 態(tài)模型決定控制量，使被控量在一個采樣周期時間內達到參考值，具有較 快的響應速度，但是其控制精度依賴于模型參數(shù)的精確性，魯棒性較差， 有可能降低系統(tǒng)穩(wěn)定性或甚至不穩(wěn)定?？梢娔馨l(fā)揮數(shù)字控制優(yōu)點的上述數(shù) 字控制方法雖然被提出，但存在不足。
發(fā)明內容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種狀態(tài)
跟蹤數(shù)字控制的逆變電源，該逆變電源動態(tài)響應快速、平穩(wěn)；非線性負載 情況下輸出電壓總諧波畸變率低，在額定非線性負載、負載電流波峰因子 超過3的情況下，輸出電壓總諧波畸變率也較低；穩(wěn)態(tài)精度高；而且結構 簡單，成本較低。
3本實用新型提供的狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源，其特征在于逆變 器的控制端與微處理器相接，逆變器的輸出端與電壓傳感器的輸入端及負 載相接，逆變器中引出的負載電流與電流傳感器的輸入端相接，逆變器直 流端與直流電源相連，電壓傳感器的輸出端和電流傳感器的輸出端分別與 微處理器相接；微處理器包括前置濾波器，預測觀測器，狀態(tài)增益矩陣， 一拍延遲模塊和減法器；前置濾波器輸入端與參考量 相接，前置濾波器輸出端與減 法器正輸入端相接；減法器輸出端與一拍延遲模塊輸入端相接； 一拍延遲 模塊輸出端與逆變器控制端和預測觀測器第二個輸入端相接；預測觀測器 第一個輸入端與電流傳感器輸出端相接，預測觀測器第三個輸入端與電壓 傳感器輸出端相接，預測觀測器輸出端與狀態(tài)增益矩陣輸入端相接；狀態(tài) 增益矩陣輸出端與減法器負輸入端相接。本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點(1) 突加、突減半載時，本實用新型提供的逆變電源的動態(tài)過渡過程 均不超過0.8ms;輸出電壓瞬時變化率小，負載適應性增強。(2) 從空載到額定負載的各種負載情況下，穩(wěn)壓精度高，穩(wěn)態(tài)誤差大 大降低。G)非線性負載情況下輸出電壓總諧波畸變率低，在額定非線性負載、 負載電流波峰因子超過3的情況下，輸出電壓總諧波畸變率也較低，表現(xiàn) 出對非線性負載引起的波形失真具有更強的抑制能力。(4) 本實用新型在對狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源設計中，采用狀態(tài) 跟蹤控制和系統(tǒng)極點配置方法，以保證逆變電源的穩(wěn)定性、動態(tài)性能以及 減小穩(wěn)態(tài)誤差，整個電源系統(tǒng)具有較強的魯棒性。在各種不同的負載擾動 情況下，均能得到品質優(yōu)良的交流輸出電壓；整個逆變電源對逆變器參數(shù)、 狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制器參數(shù)變化不敏感，系統(tǒng)響應性能穩(wěn)定。(5) 本實用新型電路結構簡單，成本低，易于實現(xiàn)。


圖1為狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源的結構示意圖；圖2為微處理器主程序流程圖；圖3為圖1中控制算法的原理框圖一；圖4為圖2中的控制算法程序流程圖一；圖5為圖1中控制算法的原理框圖二；圖6為圖2中的控制算法程序流程圖二。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示，本實用新型提供的狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源的結構為前置濾波器7輸入端與參考量",相接，前置濾波器7輸出端與減法器 10的正輸入端相接。減法器10輸出端與一拍延遲模塊11輸入端相接。一 拍延遲模塊11輸出端與逆變器2控制端和預測觀測器8第二個輸入端相接。 預測觀測器8第一個輸入端與電流傳感器6輸出端相接，預測觀測器8第 三個輸入端與電壓傳感器5輸出端相接，預測觀測器8輸出端與狀態(tài)增益 矩陣9輸入端相接。狀態(tài)增益矩陣9輸出端與減法器10的負輸入端相接。 逆變器2的輸出端與電壓傳感器5的輸入端及負載3相接，逆變器2直流 端與直流電源4相連。逆變器2中的負載電流與電流傳感器6的輸入端相 接。逆變器2、電壓傳感器5和電流傳感器6可選用通常的逆變器、電壓傳 感器和電流傳感器。前置濾波器7、預測觀測器8、狀態(tài)增益矩陣9、 一拍延遲模塊11和減 法器10構成微處理器1。其中微處理器可以是單片機或數(shù)字信號處理芯片。逆變器2中的負載電流z'。和輸出電壓"。分別經過電流傳感器6和電壓傳 感器5送入微處理器1,微處理器1經過程序運算后產生控制信號",對逆變 器2實施控制。狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制所采用的控制方法如圖2所示。以輸出電壓、逆變器 電流、輸出電壓的積分和輸出電壓的二重積分為狀態(tài)變量，稱為狀態(tài)跟蹤I型，其控制算法的原理圖和程序流程圖如圖3和圖4所示；以輸出電壓、逆 變器電流和輸出電壓的積分為狀態(tài)變量，稱為狀態(tài)跟蹤II型，其控制算法 的原理圖和程序流程圖如圖5和圖6所示。其具體步驟為
(1) 采集電壓傳感器得到的當前拍的輸出電壓"。("和電流傳感器得到 的當前拍的負載電流/。("， k表示當前拍的序號，在數(shù)字控制系統(tǒng)中一個采
樣周期T稱為一拍。
(2) 利用公式(A)計算電壓預測誤差e"。("
e 。(AO = "。(" —、(" (A) 其中，、("為在第k-l拍時得到的第k拍輸出電壓預測值。
(3) 由公式(B)計算重復補償后的控制信號"KA)
"邵,("=e"豐AO + V 。 & — ^ +夂)
(B)
其中，"剛a)為重復補償量，",("為第k拍的控制信號，iV為一個基 波周期的采樣次數(shù)，Q為準積分系數(shù)，0.9《。<1，通常取0.95，舡為重復增 益，0< 0.5， ^為超前拍數(shù)，用以補償公式(C)的相角滯后。
(4)利用公式(C)計算下一拍的輸出電壓預測值zJ。("l)和下一拍的濾波 電感電流預測值〖^ + l):
<formula>formula see original document page 6</formula>仏=<formula>formula see original document page 7</formula>cos rfr--e 21 sin rfr + l《^22 ■c,=[i o]w =^=，為逆變器2的自然振蕩頻率 =，為逆變器2的阻尼振蕩頻率其中，zJ。(幻、《(Q分別為當前拍的輸出電壓預測值和濾波電感電流預測值，L為逆變器2輸出的總濾波電感，C為逆變器2輸出的總濾波電容， r為逆變器2的等效阻尼電阻；A為預測反饋增益矩陣，可以按照Oi-Z/,C,) 的特征值比逆變器2的閉環(huán)特征值快3倍以上的原則選擇。(5) 利用公式(D1)計算下一拍輸出電壓積分預測值^("1):化("1) = 7^0("1)+^(" (Dl)為在第k-l拍時得到的第k拍的輸出電壓積分預測值；如果采用狀態(tài)跟蹤I型，還要利用公式(D2)計算下一拍輸出電壓二重積 分預測值、(A: + 1):、(A; + 1) = 7^(A: + 1) + ^(A:) (D2) 為在第k-l拍時得到的第k拍的輸出電壓二重積分預測值。(6) 計算狀態(tài)跟蹤控制信號",Q + 1):(6A)當采用狀態(tài)跟蹤I型時，利用公式(El)計算下一拍狀態(tài)跟蹤控制信號w,(A:+l):w,( A: + 1 ) = &4〗(A: + 1) +A: +1) + A:2￡(,.( A: + 1) +A: + 1) (El)其中，ki、 k2、 k3、 k4為狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的狀態(tài)增益矩陣K中的元r i
預測值，/,,&+1)為 ,,(*+1)的微分值，i("為U"的微分值。
//,為擾動反饋增益矩陣，可以按照"-乂,。的特征值比逆變器2的
閉環(huán)特征值快5倍的原則選擇。
(6B)當采用狀態(tài)跟蹤II型時，利用公式(E2)計算下一拍狀態(tài)跟蹤控
制信號"/(A: + l):
w, (" 1) = A:;+1) + A; z}。 (A + l) +《z〗,(yt +1) (E2)
其中，k、、 k'2、 k'3為狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的狀態(tài)增益矩陣K'中的元素。 在狀態(tài)變量為輸出電壓U。、逆變器電流i、輸出電壓的積分Ui，此時狀 態(tài)跟蹤數(shù)字控制逆變電源的離散狀態(tài)方程義(^ + 1) = /^:(" + ( 2"#)，其中
F2、 G2為狀態(tài)矩陣和輸入矩陣。系統(tǒng)在離散域中的期望閉環(huán)極點 戶—5 s zj，運用Ackermamn公式求解K'-[k; k;k:]中的各元素。 (7)計算前置濾波器輸出信號",，Q + 1):
根據(jù)狀態(tài)跟蹤I型和狀態(tài)跟蹤II型的不同，前置濾波器輸出信號的計 算過程分別敘述如下。
0
在狀態(tài)變量為輸出電壓U。、逆變器電流i、輸出電壓的積分Ui和輸出電 壓的二重積分Uii，此時狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制逆變電源的離散狀態(tài)方程 1(* + 1)=巧義&) +《"#)，其中F,、 G,為狀態(tài)矩陣和輸入矩陣；系統(tǒng)在離散 域中的期望閉環(huán)極點/Hs s s ;卜利用Ackermamn公式可以求得 K-[k, ^ k3 k4 ]中的各元素。 a + l)為逆變器電流預測值，可以是電感電流，也可以是電容電流。采
用電感電流時，下一拍逆變器電流預測值f(/c + l)"(/c + l);采用電容電流時， 下一拍逆變器電流預測值/("l)"("1)-U"l)，其中下一拍負載電流預測 值U"1)可由式(F)計算
(F)
式中式=
，C,=[0 l]， UA)為在第k-l拍時得到的第k拍的負載電流(7A)當采用狀態(tài)跟蹤I型時，按以下公式可求得前置濾波器參數(shù) —63 —其中&為Cg -k^+k^VkA2 =0的實根， & =2^ +A:3r ，& =夂+ ^r+&4r2根據(jù)下一拍參考量",^+i)、當前拍參考量",()t)及上一拍參考量 ",("i)，由公式(Gl)計算前置濾波器下一拍輸出信號",(;t+i): (A: +1) = (A: +1) - A6wr + ^r (A: -1) + 2 - wp (A: -1) (G 1)Wp0t-1)、 "^)分別為在第k-2拍、第k-l拍得到第k-l拍、第k拍的 前置濾波器輸出信號；(7B)當采用狀態(tài)跟蹤II型時，按以下公式可求得前置濾波器參數(shù) =夂+A;:rk:=k:根據(jù)下一拍參考量"f("l)和當前拍參考量",W，由公式(G2)計算前 置濾波器下一拍輸出信號 (A: + 1):wp(A: + l) = A:、(A; + l)-A::t/r(A:) + wpOt) (G2)(8) 利用公式(H)計算下一拍的控制信號^(/U1):A("l)^("l)-w,(A: + l) (H)(9) 下一拍控制信號"1(* + 1)經過一拍延遲模塊后在第1^+ l拍對逆變器 進行調節(jié)；(10) 令l^k+l，轉到步驟(1 )，循環(huán)執(zhí)行。其中k、《。、e 。、 wrep,、 Ml、《、^、 <、 ？。、 /。、 "p信號的初始值都為零。狀態(tài)跟蹤I型與狀態(tài)跟蹤II型相比突加、突減半載時，狀態(tài)跟蹤I型的輸出電壓瞬時變化率為7.72%，狀態(tài)跟蹤II型的輸出電壓瞬時變化率 為10.29%;從空載到額定負載的各種負載情況下，狀態(tài)跟蹤I型的穩(wěn)壓精 度在0.79%之內，狀態(tài)跟蹤11型的穩(wěn)壓精度在0.54%之內；在額定非線性負載情況下，狀態(tài)跟蹤I型在電流波峰因子為3.6時THD〈1.2。/。，狀態(tài)跟蹤 II型在電流波峰因子為3.3時THD<2.52%。
本實用新型不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據(jù) 實施例和附圖公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本實用新 型，因此，凡是采用本實用新型的設計結構和思路，做一些簡單的變化或 更改的設計，都落入本實用新型保護的范圍。
權利要求1、一種狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源，其特征在于逆變器(2)的控制端與微處理器(1)相接，逆變器(2)的輸出端與電壓傳感器(5)的輸入端及負載(3)相接，逆變器(2)中引出的負載電流與電流傳感器(6)的輸入端相接，逆變器(2)直流端與直流電源(4)相連，電壓傳感器(5)的輸出端和電流傳感器(6)的輸出端分別與微處理器(1)相接；微處理器(1)包括前置濾波器(7)，預測觀測器(8)，狀態(tài)增益矩陣(9)，一拍延遲模塊(11)和減法器(10)；前置濾波器(7)輸入端與參考量ur相接，前置濾波器(7)輸出端與減法器(10)正輸入端相接；減法器(10)輸出端與一拍延遲模塊(11)輸入端相接；一拍延遲模塊(11)輸出端與逆變器(2)控制端和預測觀測器(8)第二個輸入端相接；預測觀測器(8)第一個輸入端與電流傳感器(6)輸出端相接，預測觀測器(8)第三個輸入端與電壓傳感器(5)輸出端相接，預測觀測器(8)輸出端與狀態(tài)增益矩陣(9)輸入端相接；狀態(tài)增益矩陣(9)輸出端與減法器(10)負輸入端相接。
專利摘要本實用新型公開了一種狀態(tài)跟蹤數(shù)字控制的逆變電源，其特征在于前置濾波器輸入端與參考量u_r相接，前置濾波器輸出端與減法器正輸入端相接，減法器輸出端與一拍延遲模塊輸入端相接，一拍延遲模塊輸出端與逆變器控制端和預測觀測器第二輸入端相接，預測觀測器第一、第三輸入端分別與電流、電壓傳感器的輸出端相接，預測觀測器輸出端與狀態(tài)增益矩陣輸入端相接，狀態(tài)增益矩陣輸出端與減法器負輸入端相接。逆變器輸出端與電壓傳感器輸入端及負載相接，逆變器直流端與直流電源相連，逆變器中的負載電流與電流傳感器輸入端相接。該逆變電源動靜態(tài)特性優(yōu)良，輸出電壓波形畸變小，本實用新型廣泛應用在含交流穩(wěn)定電源的各種供電系統(tǒng)中。
文檔編號H02M7/42GK201388163SQ20092008522
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權日2009年4月22日
發(fā)明者唐詩穎, 勇 康, 力 彭, 曉 胡, 堅 陳 申請人:華中科技大學