CN100405733C - 对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法，同时公开了该方法使用的一种电路，方法包括：(1)进行环宽计算得到滞环环宽信号；(2)将所得的环宽信号发出送到变环宽滞环比较环节，该变环宽滞环比较环节的另一输入量为逆变器的电流误差信号，由变环宽滞环比较环节进行逻辑运算，得到脉宽调制波形，驱动逆变器主电路开关管动作。其包括电路环宽调节电路和变环宽滞环比较器。本方法保留了传统定环宽滞环电流控制的特点，同时实现了滞环电流控制逆变器开关频率的恒定，解决了由于开关频率变化而造成的逆变桥输出电压频谱分布广，因而滤波器设计困难的难题，有利于输出滤波器的优化设计、体积重量的减小。

Description

对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法及电路

一、技术领域

本发明涉及一种逆变器控制方法，尤其涉及一种变环宽的滞环电流控制方法及相应的实现该方法的硬件电路。

二、背景技术

电流控制两态调制系统利用逆变器实际电流信号与电流给定信号相比较，若实际电流超过给定值一定范围，即通过改变逆变器的开关状态来控制电流的增减，以实现实际电流对电流给定的快速跟踪。电流控制两态系统还具有内在的限流保护能力。通常逆变器采用双环控制，由于电流内环的高度稳定性，电压外环可以做到高增益，系统输出电压精度高，动态性能得到提高。电流内环等效为一个很好的受控电流放大器，所以采用这种系统的变流器或其它装置可以很好地并联运行。基于以上优点，电流控制技术在逆变电源、交流调速和有源滤波等场合得到了广泛的应用。但滞环电流控制也存在开关频率不固定的缺点。人们为克服这一缺点做了大量的研究工作：采用锁相环技术将开关信号与一频率固定的方波信号相比较，得到其相位差后经过比例积分环节得到期望的滞环比较器环宽；在控制回路中增加前馈补偿环节对电流误差进行校正；通过三相解耦后选取优化电压矢量调节滞环宽度，在电机调速、有源滤波等场合实现了滞环电流控制的定频化，但这种方法不能应用到单相的场合。以上方法需要增添控制环节以及额外的参数设计，系统设计困难，控制复杂；同时需要对系统一些变动参数进行预估；由于仅选用了最佳接近的空间矢量来参与控制，开关频率仍有波动，只能实现近似的恒频。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是针对现有定环宽滞环电流控制技术的不足，提出一种既保留传统滞环电流控制优点，又实现开关频率恒定的逆变器电流控制方法。

2、技术方案：

为了达到上述的发明目的，本发明的方法将传统的滞环电流控制的固定环宽由可变环宽取代，通过调节环宽来控制逆变器开关频率并使其恒定。具体包含以下两个步骤：第一步是环宽计算，是根据来自逆变器的输入、输出电压反馈值，按照开关频率与输入电压、输出电压、电感量值、滞环环宽参数的对应关系[见(1)式]，通过环宽计算环节的实时运算[见(2～6)式]，得到滞环环宽信号，再将该环宽信号发出送到变环宽滞环比较环节，该变环宽滞环比较环节的另一输入量为逆变器电流误差信号，由变环宽滞环比较环节进行逻辑运算[见(7)式]，得到脉宽调制信号输出，驱动逆变器主电路开关管动作。

$f=\frac{U_d^2-u_o^2}{4\mathrm{hL}{U}_d}---\left(1\right)$

h＝H-Δh   (2)

H＝K₁U_d    (3)

$\mathrm{\Δh}=K_2{u}_0^2---\left(4\right)$

$K_1=\frac{1}{4\mathrm{FL}}---\left(5\right)$

$K_2=\frac{1}{4\mathrm{FL}{U}_d}---\left(6\right)$

$d_i=\left\{\begin{array}{cc}{U}_H& ,\mathrm{\&Delta;i}<-h\\ d_{i-1}& ,-h<\mathrm{\&Delta;i}<h\\ U_L& ,\mathrm{\&Delta;i}>h\end{array}\right.---\left(7\right)$

上述式子中的主要符号名称：d_i——脉宽调制信号即变环宽滞环比较环节输出。d_i-1——变环宽滞环比较环节的前一次输出。f——逆变器开关频率。F——逆变器开关频率设定值。h——滞环环宽。H——环宽直流分量。Δh——环宽交流分量。Δ1——电流误差信号。L——逆变器滤波电感值。K₁——计算环宽直流分量用系数。K₂——计算环宽交流分量用系数。U_d——逆变器输入电压即直流侧母线电压。U_o——逆变器输出电压。U_H——逻辑高电平。U_L——逻辑低电平。

以上环宽计算环节和变环宽滞环比较环节均可选用硬件电路或软件程序实现，具体描述如下：

对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法的电路包括环宽调节电路和变环宽滞环比较器，其中，环宽调节电路中，来自逆变器的输入电压即母线电压反馈信号经过跟随器(X1)、比例放大器(X2)处理后输入减法器的正端，来自逆变器的输出电压反馈信号经过乘法器、比例放大器(X3)处理后输入减法器的负端，经减法器和比例放大器(X4)处理后得到环宽信号；在变环宽滞环比较器中，来自环宽调节电路输出的环宽信号分为两路，其中一路环宽信号经跟随器(X5)输入比较器(X6)的正端，另一路环宽信号经反相器输入比较器(X7)的负端；来自逆变器的电流误差信号分为两路，其中一路输入比较器(X6)的负端，另一路输入比较器(X7)的正端，比较器(X6)和比较器(X7)的输出信号分别输入触发器的R、S端，经处理后得到逆变器的两路驱动信号。

上述的环宽计算环节可用环宽计算程序实现：先根据采样到的逆变器母线电压值乘以相应系数K₁得到环宽直流分量H，再根据采样到的逆变器输出电压瞬时值先进行平方运算再乘以相应系数K₂得到环宽交流分量Δh，再将环宽直流分量H减去环宽交流分量Δh得到环宽信号h。

上述的滞环比较环节可通过计算程序实现：将采样到的逆变器电感电流瞬时值i_L减去逆变器电压环输出即电流环基准i_r得到电流误差信号Δi，将电流误差信号和环宽调节环节的计算输出结果即环宽信号h进行比较，若电流误差信号大于环宽信号，输出低电平的脉宽调制信号，关断逆变器开关管，若电流误差小于负的环宽信号，输出高电平的脉宽调制信号，开通逆变器开关管，若电流误差信号在正负环宽信号之间，维持脉宽调制信号原有电平不变。

本发明的特点在于动态计算平滑调节滞环比较器滞环环宽的大小，在实现逆变器滤波电感电流跟踪电流基准变化功能的同时，实现开关管开关频率的恒定。通过DSP数字处理芯片或硬件电路采样逆变器输入、输出电压参数，根据开关频率与输入电压、输出电压、电感量值、滞环环宽参数的对应关系，通过实时运算，得到滞环环宽信号，将该环宽信号发出送到变环宽滞环比较环节，该变环宽滞环比较环节的另一输入量为逆变器电流误差信号，由变环宽滞环比较环节进行逻辑运算，得到脉宽调制波形，驱动逆变器主电路开关管动作。以上功能可以通过DSP数字处理芯片软件编程的方法来实现，也可以通过上述的纯硬件电路来实现；或者通过软硬件结合的方法，由软件完成滞环环宽运算，将环宽信号送到硬件变环宽滞环比较器电路来实现。

3、有益效果：本发明的优点是：

(1)保留了传统定环宽滞环电流控制的特点。这意味着变环宽滞环电流控制逆变器保持了高稳定性、快速动态性能、内在电流限制等优点；

(2)实现了滞环电流控制逆变器开关频率的恒定，解决了由于开关频率变化而造成的逆变桥输出电压频谱分布广，因而滤波器设计困难的难题，有利于输出滤波器的优化设计、体积重量的减小。

四、附图说明

图1是变环宽滞环电流控制逆变器系统框图；

图2中(a)为采用定环宽滞环电流控制的关键波形，(b)为采用本方法的变环宽滞环电流控制的关键波形；

图3是环宽调节电路示意图；

图4是变环宽滞环比较器示意图；

图5是实现环宽计算环节的环宽调节程序流程图；

图6是实现滞环比较器的程序流程图。

五、具体实施方式

如图1所示，采用本实施例的变环宽滞环电流控制方法的逆变器系统，将传统的定环宽滞环比较器用一个环宽可控的变环宽滞环比较环节取代，增加了环宽计算环节，根据来自逆变器的母线电压U_d和输出电压u_o的反馈值，根据开关频率与母线电压U_d、滞环宽度h、输出电压u_o以及滤波电感L的关系，通过计算，得出要维持开关频率恒定所需要的滞环环宽h的值，环宽计算的具体步骤如下：

1)按照前述式(5)和式(6)计算系数K₁和K₂；

2)母线电压乘上系数K₁得到环宽直流分量H；

3)计算输出电压平方U² _o；

4)输出电压平方乘系数K₂得到环宽交流分量Δh；

5)直流分量减去交流分量得到环宽h。

将该环宽信号h输出到变环宽滞环比较环节，变环宽滞环比较环节根据来自逆变器的电流误差信号Δi和环宽信号h进行逻辑判断，得到脉宽调制信号d，驱动逆变器开关管工作。变环宽滞环比较环节逻辑判断具体细节是：比较电流误差信号Δi和环宽信号h以及环宽信号的负值-h，输出以下三种情况中的一种作为脉宽调制信号d：

A)若电流误差信号Δi大于环宽信号h，输出逻辑低电平；

B)若电流误差信号Δi小于环宽信号负值-h，输出逻辑高电平；

C)若电流误差信号Δi位于-h和h之间，维持原输出电平不变。

本电路的关键波形如图2(b)所示。计算出来的滞环环宽信号h可以分解为两部分：第一部分为直流偏量H，大小同母线电压成比例；第二部分为交流分量Δh，波动频率为输出电压两倍，大小同输出电压瞬时值平方成比例。

如图3、图4所示，本实施例的对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法的电路包括环宽调节电路和变环宽滞环比较器，其中，环宽调节电路中，来自逆变器的输入电压即母线电压反馈信号经过跟随器X1、比例放大器X2处理后输入减法器的正端，来自逆变器的输出电压反馈信号经过乘法器、比例放大器X3处理后输入减法器的负端，经减法器和比例放大器X4处理后得到环宽信号。变环宽滞环比较器中，来自环宽调节电路输出的环宽信号分为两路，其中一路环宽信号经跟随器X5输入比较器X6的正端，另一路环宽信号经反相器输入比较器X7的负端；来自逆变器的电流误差信号分为两路，其中一路输入比较器X6的负端，另一路输入比较器X7的正端，比较器X6和比较器X7的输出信号分别输入触发器的R、S端，经处理后得到逆变器的两路驱动信号。

如图5所示，本实施例中的环宽调节电路可以通过该图所示的程序实现：根据采样到的逆变器母线电压值乘以相应系数K₁得到环宽直流分量H，再根据采样到的逆变器输出电压瞬时值先进行平方运算再乘以相应系数K₂得到环宽交流分量Δh，再将环宽直流分量减去环宽交流分量得到环宽信号h。

如图6所示，本实施例中的变环宽滞环比较器电路可以通过该图所示的程序实现：将采样到的逆变器电感电流瞬时值i_L减去逆变器电压环输出即电流环基准i_r得到电流误差信号Δi，将电流误差信号和环宽调节环节的计算输出结果即环宽信号h进行比较，若电流误差信号大于环宽信号，输出低电平的脉宽调制信号，关断逆变器开关管，若电流误差小于负的环宽信号，输出高电平的脉宽调制信号，开通逆变器开关管，若电流误差信号在正负环宽信号之间，维持脉宽调制信号原有电平不变。

Claims (2)

1.一种对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

第一步：进行环宽计算得到滞环环宽信号：首先采样逆变器的输入、输出电压参数，再根据开关频率与输入电压、输出电压、电感量值、滞环环宽参数的对应关系，通过环宽计算环节的实时运算，得到滞环环宽信号；其中，开关频率与输入电压、输出电压、电感量值、滞环环宽参数的对应关系如下式(1)所示：

$f=\frac{U_d^2-u_o^2}{4\mathrm{hL}{U}_d}---\left(1\right)$

进行实时运算的过程如下列(2)至(6)式所示：

h＝H-Δh    (2)

H＝K₁U_d    (3)

$\mathrm{\&Delta;h}=K_2{u}_o^2---\left(4\right)$

$K_1=\frac{1}{4\mathrm{FL}}---\left(5\right)$

$K_2=\frac{1}{4\mathrm{FL}{U}_d}---\left(6\right)$

上述各式中，f为逆变器开关频率；F为逆变器开关频率设定值；h为滞环环宽；H为环宽直流分量；Δh为环宽交流分量；L为逆变器滤波电感值；K₁为计算环宽直流分量用系数；K₂为计算环宽交流分量用系数；U_d为逆变器输入电压即直流侧母线电压u_o为逆变器输出电压；

第二步：将所得的环宽信号发出送到变环宽滞环比较环节，该变环宽滞环比较环节的另一输入量为逆变器的电流误差信号，由变环宽滞环比较环节进行逻辑运算，得到脉宽调制波形，驱动逆变器主电路开关管动作；其中变环宽滞环比较环节进行逻辑运算根据下式(7)进行：

$d_i=\left\{\begin{array}{cc}{U}_H& ,\mathrm{\&Delta;i}<-h\\ d_{i-1}& ,-h<\mathrm{\&Delta;i}<h\\ U_L& ,\mathrm{\&Delta;i}>h\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，d_i为脉宽调制信号即变环宽滞环比较环节输出；

U_H为逻辑高电平；

U_L为逻辑低电平；

d_i-1为变环宽滞环比较环节的前一次输出；

h为滞环环宽；

Δi为电流误差信号。

2.一种实现权利要求1所述的对逆变器进行变环宽滞环电流控制的方法的电路，其特征在于，包括环宽调节电路和变环宽滞环比较器，其中，环宽调节电路中，来自逆变器的输入电压即母线电压反馈信号经过第一跟随器(X1)、第一比例放大器(X2)处理后输入减法器的正端，来自逆变器的输出电压反馈信号经过乘法器、第二比例放大器(X3)处理后输入减法器的负端，经减法器和第三比例放大器(X4)处理后得到环宽信号；变环宽滞环比较器中，来自环宽调节电路输出的环宽信号分为两路，其中一路环宽信号经第二跟随器(X5)输入第一比较器(X6)的正端，另一路环宽信号经反相器输入第二比较器(X7)的负端；来自逆变器的电流误差信号分为两路，其中一路输入第一比较器(X6)的负端，另一路输入第二比较器(X7)的正端，第一比较器(X6)和第二比较器(X7)的输出信号分别输入触发器的R、S端，经处理后得到逆变器的两路驱动信号。

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