双环反馈控制的SPWM逆变电源中电流环的设计

第２０卷第３期　２００６年９月　文章编号：ＣＮ４２．１５６４（２００６）０３－０１９８－０３　空军雷达学院学报　ＪｏｕｍａＩ　ｏｆ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ｒａｄａｒ　Ａｃａｄｅｍｙ　ＶＯｌ＿２０　Ｎｏ．３　Ｓｅｐ．２００６　双环反馈控制的ＳＰＷＭ逆变电源中电流环的设计　陈元娣，朱忠尼，林洁　（空军雷达学院电子对抗系，武汉４３００１９）　摘要：针对目前电流环的设计方法不明确的问题，通过建立ＤＣ／ＡＣ系统的动态模型并对该模型进行理　论上的推导和分析得出了电流环的设计方法．该方法在系统参数不完全明确的情况下，电流内环尽量采取ＰＩ　调节器，将使系统的稳定性更好，参数调整比较方便，能满足一定的带宽和动态特性．通过仿真实验验证了理　论推导的正确性．　关键词：逆变器；双环反馈；电流环　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　近年来，ＳＰＷＭ正弦波逆变器的反馈控制技术　发生２个较大变化，①单环控制变为多环控制，②　有效值恒定反馈变为“瞬时”值反馈，目的是为了　变器的等效模型为　提高系统的动态响应速度和改善并控制在任意负　载，特别是非线性负载下的输出波形【１　．对于双环　系统，一般采取电压外环，电流内环的设计．电压　Ｕｄ　环的作用是跟踪和稳定输出电压，它的设计大多　采取ＰＩ调节器模式．电流环的作用是使逆变器的　动态响应加快，负载适应能力加强，并具有输出电　流限制能力，可提高系统的可靠性，因此，电流环　的设计是双环反馈控制的关键技术之一．对于电　流环的设计，常见有Ｐ和ＰＩ　２种设计方法　Ｊ，在实　际应用中到底选哪种方法合适，目前还没有成熟　的结论．本文通过建立ＤＣ／ＡＣ系统的动态模型，对　该模型进行理论上的简化和特性分析．理论分析　图１　ＳＰＷＭ正弦波逆变器的功率电路原理框图　Ｇ－　＝　式中　为ＳＰＷＭ控制器中开关管的开关周期，主　要是开关导通时间；　ｗＭ＝　／　（　１），　角载波的幅值．　为三　表明：在系统参数不完全明确的情况下，电流内环　尽量采取ＰＩ调节器；当系统参数基本明确或系统　的惯性较小（如大功率逆变器）情况下，可以考虑　采取Ｐ调节器，可以降低系统的调节难度，提高系　统的响应速度．通过对实际系统的仿真验证了本　文结论的正确性．　图２等效模型　１　系统动态模型的简化设计原则　图１是ＳＰＷＭ正弦波逆变器的功率电路原理　ＬＣ及负载组成的电路传递函数推导关系如下　）一　）＝　＋ｒ），Ｌ　）　（２）　ｉｏ（Ｓ）＝ＴＵｏ（ｓ）　ＩＬ（ｓ）一Ｉｏ（Ｓ）＝Ｉｏ（ｓ）　框图．图２是其等效模型，图中　＝Ｌ／ｒ为滤波器　电感的时间常数，ｒ为滤波电感直流电阻，　为电　流检测电路的延迟时间常数，　为电压检测电路　的延迟时间常数，ＬＴ为电流环，ＳＰＷＭ控制器加逆　收稿日期：２００６－Ｏ１－１６：修订日期：２００６．０３－１３　将负载电流Ｉｏ（Ｓ）看作输出扰动，△　为电压综合　扰动，忽略这些扰动因素，得到电流环节的简化框　作者简介：陈元娣（１９８１一），女，硕士，主要从事电力电子技术研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　图，如图３所示．　陈元娣，等：双环反馈控制的ｓＰｗＭ逆变电源中电流环的设计　Ｇ　）＝　ＫｖＫ　ｐＫ　ｐｗＭＫ　ｐ（ｒ　ｖＳ＋　１）（　１＋厕Ｔｐｓ）／ｒ１９９　・　（９）　为Ｐ和ＰＩ时的整个系统开环传递函数分别为　Ｇｂ（Ｓ）＝　图３简化的电流环框图　丽　＋ｌ　砑・　（１０）　根据实际情况，逆变桥及滤波电路系统模型　有２种进一步简化的方式．　（１）　＞＞１，（　，　）＜＜１时，系统可以简化为　Ｇｏ（ｓ）：去　（３）　式中Ｋ．＝　ｗＭ　／，＿，　ｉ＝　＋　．　（２）当（　，　）＜＜１，　不远远大于１时，则　Ｇｏ（ｓ）＝　志　（４）　对式（３），系统的开环传递函数本身就属Ｉ型　系统，或系统的惯性较小，则电流环按Ｐ调节器设　计，即　Ｇ　）＝　（５）　此时有　Ｇｏ（ｓ）Ｇｃ（ｓ）＝　（６）　对式（４），电流环按ＰＩ调节器设计，即　Ｇｃ　＝—（ｒ￣ｖ＋　１）—一Ｋｐ　（７）　特别是当　＝　时，有　Ｇｏ（ｓ）Ｇｃ（ｓ）＝　（８）　从式（６）和式（８）可看出来，只要ＰＩ调节器满足　＝　。Ｐ与ＰＩ是等效的，通过调节器校正后，系统的开　环传递函数满足工程最佳设计原则，即电流环的　校正为Ｉ型或Ⅱ系统［４］．　２系统的开环特性　上述分析已经很好地解决了电流内环的设计　问题，但仍存在２个问题：①　很难推算或测试　出来，而且系统在运行过程中，　可能发生变化，　因此，　＝　条件在实际设计过程中很难完全满　足；②ＰＩ调节器的本质是滞后校正，它有降低系　统稳定性趋势，按要求　Ｊ，Ｇｃ　）的滞后校正网络的　极点　＝０）与零点　＝ｌ瑚应该很接近，而且Ｚｉ值　略小于系统本身的极点，即ｌ　略小于ｌｉＴ，，以保　证系统的动态性能．因此，从实际操作和理论分析　都证明，采取Ｇ　）与Ｇ０　）的零极点抵消的设计　方法只是一个理想的分析．　若在　＝　条件不明确的情况下，电流调节器　式中　为Ｐ调节器的放大倍数；　为ＰＩ调　节器的传递函数．　设Ｋｖ＝１．５，　＝　＝ｌ，　ｗＭ＝１００，，＿＝０．１　ｍＱ，Ｌ＝９００　，　＝９，　ｉ＝０．００１，　＝　＝０．０２５，　Ｖｉ＝５，　＝８，　＝　＝０．０１．对式（９），式（１０）进行仿　真，其伯德图分别如图４、图５所示．　图４　Ｐ调节时开环系统伯德图　ＣＯ／（ｒａｄ／ｓ）　图５　ＰＩ调节时开环系统伯德图　从仿真结果可见，若在ｌ＂ｉ＝　条件不明确的情　况下，电流环采用Ｐ调节器时，系统的相角裕度、　幅值裕度都是负值，系统是不稳定的。采用ＰＩ调　节器时，相角裕度约为９Ｏ。，幅值裕度约为６Ｏ　ｄＢ，　满足系统相对稳定条件，系统是稳定的．本文仿真　参数是笔者在研制三相矢量控制逆变器的电路参　数，实验结果与上述仿真结论完全一致．因此认　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００　空军雷达学院学报　参考文献：　２００６　为，在实际产品的研制过程中，电流环采取ＰＩ调节　器，系统将更易于实现．　［１］Ｎａｓｅｒ　Ｍａｂｄｅ１．Ｒａｈｉｍ，Ｊｏｈｎ　Ｅ　Ｑｕａｉｃｏｅ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｌｏｏｐ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　３结束语　通过对双环反馈控制的ＳＰＷＭ逆变电源系统　的电流环设计原则及系统的开环特性分析，可得　Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　ＵＰＳ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　ＰＥ，１９９６，ｌｌ（４）：５３２．５４１．　［２］Ｎａｖｉｄ　Ｒ　Ｚａｒｇａｒｉ，Ｐｈｏｉｖｏｓ　Ｄ　Ｚｉｏｇａｓ，Ｇｅｚａ　Ｊｏｏｓ．Ａ　Ｔｗｏ—　Ｓｗｉｔｃｈ　ｈｉｇｈ・ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　ＤＣ，ＡＣ　Ｃｏｎ—　出如下结论：在系统参数不太明了的情况下，电流　内环尽量采取ＰＩ调节器设计，它将使系统的稳定　性更好，参数调整比较方便，能满足一定的带宽和　动态特性．当系统参数比较明确或者系统惯性较　小时，采取Ｐ调节器，可以降低系统调节的难度和　复杂性．总之，内环采取哪种调节器应该由系统的　本身性能来决定．　ｖｅｒｔｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅ【Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　１９９５，３ｌ（３）：５８３．５８９．　［３］ＦＲＡＳＥＲ　Ｍ　Ｅ，ＭＡＮＮＩＮＧ　Ｃ　Ｄ．Ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆＡｖｅｒａｇｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｍｏｄｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＰＷＭ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｈｉｇｈ　Ｃｒｅｓｔ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｌｏａｄ［Ｃ］／／Ｆｉｌｆｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｖａｉｌａｂｌｅ．Ｓｐｅｅｄ　Ｄｒｉｖｅｓ．２００３：６６　１．６６７．　［４】朱忠尼，等．现代伺服系统【Ｍ］．戍都：四川科技出版社，　２００ｌ：ｌｌ３．１２５．　［５］ＫａｔｓｕｈｉｋｏＯｇａｔａ．现代控制工程［Ｍ］．北京：电子工业出版　社，２００１：３８７．３９５．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｌｏｏｐ　ｉｎ　ＳＰＷＭ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｗｉｔｈ　Ｄｏｕｂｌｅ．１ｏｏｐ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　ＣｏｎｔｒｏＩ　ＣＨＥＮ　Ｙｕａｎ・ｄｉ，ＺＨＵ　Ｚｈｏｎｇ・ｎｉ，ＬＩＮ　Ｊｉｅ　（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ，ＡＦＲＡ，Ｗｕｈａｎ４３００１９，Ｃｈｉｎａ）　・　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ　ｂｅｉｎｇ　ｏｂｓｃｕｒｅ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎ　ｇｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｏｐ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｖｉａ　ｅｓａｂｌｔｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＤＣ／ＡＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｎａｌａｙｚｉｎｇ　ｉｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ＰＩ　ａｄｊｕｓｔｏｒ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ　ｐｒｉｏｒｉｔｙ　ｔｏ　ｂｅｉｎｇ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｏｐ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ　ｏｆｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｉｎｄｅｆｉｎａｂｌｅｗｈｉｃｈ　，ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｂｅＲｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅａｓｉｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ａｖａｉｌａｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｏｕｂｌｅ．１ｏｏｐ　ｆｅｅｄｂａｃｋ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｏｐ　（上接第１９７页）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈａｎｄ—ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　Ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｃａｂｌｅ．１ｉｎｅｓ　ＬＩＵ　Ｆｅｉ　，ＸＩＡＮＧ　Ｊｉａｎ・ｔａｏ　，ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎｇ．ｐｉｎｇ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＧｒａｄｕａｔｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＡＦＲＡ，Ｗｕｈａｎ　４３００１９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＥａｒｌｙ　Ｗａｒｎｉｎｇ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＡＦＲＡ，Ｗｕｈａｎ　４３００１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｈａｎｄ‘ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ・ｌｉｎｅｓ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｇｙｚｉｎｇ　ｉｔｓ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｇｉａｌｔ　ＦＭ　ｃｏｄｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎｄ　ｄｉａｇｎｏｓｅ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｎｄ。ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｒ　ｆｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ・ｌｉｎｅｓ；ｄｉｇｉａｌｔ　ＦＭ　ｃｏｄｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．ｖｏｌａｇｅ　ｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；　ｓｉｎｇｌｅ．－ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏ．．ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ