中心議題：
- 單相逆變器系統模型
- 單相逆變器系統的設計及仿真
解決方案：
- 帶輸出電流前饋的PI雙環數字化控制
- 極點配置方法
本文分析了單相逆變器系統的數字控制特點，提出了一種帶輸出電流前饋的PI雙環(輸出電壓外環和濾波電感內環)數字化控制方案，利用極點配置方法對控制系統參數進行了設計，并對系統進行了仿真，最后給出了各種實驗條件下的實驗波形。
0 引言
要得到性能穩定的逆變器并聯系統，其單臺逆變器的性能非常重要，因此，單臺逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見的單閉環控制技術主要有電壓瞬時值反饋、無差拍控制和重復控制等方案。為了滿足某些應用場合的高性能指標要求，近來又出現了電壓電流雙閉環控制。該方案的電流內環增大了逆變器控制系統的帶寬，從而使逆變器動態響應加快，同時加強了對非線性負載擾動的適應能力，也減小了輸出電壓的諧波含量。
依據內環電流反饋的不同，逆變器雙閉環控制可分為電感電流內環電壓外環和電容電流內環電壓外環兩種。在以濾波電容電流作為內環反饋的控制方法中，如果在電容電流內環電壓外環控制系統中增加電流限幅環節，其只能限制電容電流大小，而負載電流和電感電流完全不受其約束，因而不能通過限流實施對逆變電源的保護。在以濾波電感電流作為內環反饋時，通過限制濾波電感電流即可實現逆變器的過流保護。因此，通過對以上兩種控制方法進行比較，本文采用以濾波電感電流作為內環反饋的控制方案。
1 逆變器系統模型
圖1所示為單相全橋逆變電源的主電路原理圖。圖中，Ud是逆變橋直流輸入電壓。L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，r是輸出電感、死區效應以及濾波電容的等效電阻。
對于圖1所示的單相全橋逆變器，可得到下面的單相逆變電源的連續域數學模型式：
2 逆變器控制系統的設計
本文的雙閉環控制結構由外環電壓調節器和內環電流調節器組成。其中外環電壓調節器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調節器，內環電流調節器Gi(s)可以采用比例(P)調節器。圖2所示是逆變器電感電流內環電壓外環控制系統的結構框圖。
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在這個雙環控制方案中，電流內環采用PI調節器，簡稱雙環PI-P控制方式。其中電流調節器Gi(s)的比例環節用來增加逆變器的阻尼系數，以使整個系統工作穩定，并且保證有很強的魯棒性;電壓外環也采用PI調節器的作用是希望使輸出電壓波形能瞬時跟蹤給定值。這種電流內環電壓外環的雙環控制方式的動態響應速度很快，而且靜態誤差也很小。
設電壓電流調節器分別為：
雙環控制系統的控制器參數可以按常規方法設計，但需考慮兩個調節器之間的響應速度、頻帶寬度的相互影響與協調。由于控制器設計步驟比較復雜，因此還需要反復試驗驗證;而采用極點配置方法則可以大大簡化設計過程，同時能滿足高性能指標要求，因此，這種設計方法具有明顯的優越性。本文采用的是基于極點配置的逆變器系統控制器的設計方案，這種控制器設計方法簡潔明了，參數計算容易，而且與性能指標之間有直接的量化關系，可以實現優良的動、靜態特性。此外，為了使系統超調更小，響應更快，首先應該要求預期系統特征方程可以寫成如下的形式：
其次，應該取ξ=0.7，以使得系統具有最小的超調量。之后，再依據對調節時間的設計要求，便可以確定ωn的合適取值，一般取ωn略小于諧振頻率的值。這樣，將ξ和ωn代入(6)式后，就可得出系統的預期特征方程，然后比較方程系數，就可得到系統的參數值。
3 單臺逆變器的仿真
圖3所示是在PSIM下構建的逆變器仿真模型。該模型主要有三部分：主電路、控制器和PWM脈沖生成模塊。其中控制器用于實現電壓電流雙環控制，為產生PWM脈沖提供調制信號;PWM脈沖生成模塊采用雙極性調制方式。根據整個系統的閉環特征方程，并綜合考慮系統的控制要求，再通過選取阻尼比和自然角頻率，就可以得到系統控制器的參數。考慮到單相全橋逆變器系統控制的性能要求，在此基礎上所確定的最終系統仿真參數如下：
- 直流母線電壓：Ud=200 V;
- 額定輸出電壓：Uo=110V;
- 額定輸出電壓頻率：f=50 Hz;
- 額定輸出功率：S=1 kVA;
- 開關頻率：fc=20 kHz;
- 濾波電感：L=0.5 mH;
- 濾波電容：C=10μF;
K2P=3.14，K1P=6.4，Kli=20096，Kv=0.0128，KL=0.1。
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圖4給出了在輸入電壓為200V，額定負載分別為ZL=100Ω時的輸出電壓和輸出電流仿真波形;由圖4可見，輸出電壓頻率均能穩定在50H z;圖5所示為負載突減時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=20Ω切換到ZL=40Ω時的輸出電壓、電流仿真波形；圖6為負載突增時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=40Ω切換到ZL=20Ω時的輸出電壓、電流仿真波形;通過以上仿真波形圖可知，該系統工作穩定，靜態誤差小，并具有很強的魯棒型，同時，這種電流內環電壓外環的雙閉環控制的動態響應速度非常快，因此可見，用該方法對該系統控制電路進行設計是有效而可行的。
4 實驗驗證
筆者設計了一臺1kVA的逆變電焊電源實驗樣機，其系統的核心控制器是TI的DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是一款高性能16位數字信號處理器，是TI公司定點DSP2000系列中的一員，它是專門為控制與運動控制的數字化實現而設計的。該DSP可完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負載電壓和電流取樣、開關管的導通關斷時間控制等。其軟件實現流程圖如圖7所示。
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圖8所示是數字控制逆變器的交流電流測試波形，由圖8可以看出，本系統的交流輸出電流十分穩定，完全能夠滿足設計要求。
5 結束語
采用電感電流內環的雙閉環控制逆變器系統，可利用電流內環快速、及時的抗擾性來有效地抑制負載擾動的影響，在負載突變和非線性負載下，均具有較高的穩態精度和較快的動態響應。實驗和仿真結果表明，這是一種性能優異的控制方法。
