CN109889071B - 基于对数状态范数反馈的h桥逆变器自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法，通过调整电压反馈增益正相关于状态误差值2‑范数的对数值，结合电压反馈控制律实现了功率电感电流误差值与在输出电容电压误差值在固定时间内完全衰减的H桥逆变器反馈控制。采用本发明方法，H桥逆变器可以在不增加额外硬件的前提下有效降低功率电感电流总谐波畸变率、提高逆变器的稳态谐波性能、提高逆变器的动态跟踪性能并有助于减小逆变器对负载电能质量的负面影响。

Description

基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法

技术领域

本发明涉及单相H桥逆变器反馈控制的技术领域，尤其是指一种基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法。

背景技术

大功率开关器件的出现使电力电子技术得到长足发展，各类大功率电能变换、以及依托电力电子技术进行大功率设备控制等应用得以实现。其中，直流-交流变换被广泛应用于交流电机控制、电加热与电发光、无线输电等领域。在部分领域当中，逆变器的稳态谐波性能与输出电压动态性能必须得到重视。如在无线输电领域当中，功率电路工作在高频段，由高频功率电流从线圈耦合至采样回路的干扰尤为严重，同时无线输电系统对负载敏感，因此需要作为前级的逆变器同时具有可以抑制采样干扰的高稳态谐波性能、以及可以根据负载变化而快速变化的高输出动态性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法，有效抑制功率电感电流采样噪声以及输出电容电压采样噪声对H桥逆变器产生的电磁干扰，同时保证逆变器具有优秀的动态性能，且实现简单，在传统H桥逆变器的基础上不需要增加额外的硬件。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法，所述H桥逆变器为主功率电路，并配套有由负载及依次相连的直流电源、采样调理模块、数字控制模块和MOS管驱动模块组成的外围电路；所述H桥逆变器包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、功率电感和输出电容；所述第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接至直流电源的正极，所述第一MOS管的源极连接至第三MOS管的漏极，所述第二MOS管的源极连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极连接至直流电源的负极，所述功率电感的正极连接至第一MOS管的源极，所述输出电容的正极连接至功率电感的负极，所述输出电容的负极连接至第二MOS管的源极，所述负载与输出电容并联；

所述H桥逆变器自适应控制方法，包括以下步骤：

1)获得参考电流值i_ref，其计算公式是：

其中，Z为负载电阻值；C为输出电容值；u_ref为根据具体工程需要决定的理想输出电压值；

2)获得状态误差2-范数值||Δx||，其计算公式是：

其中，i为功率电感电流值，u为输出电容电压值；

3)获得状态误差2-范数值||Δx||的修正值E，其计算公式是：

其中，T为数字控制模块的控制周期；

4)计算步骤3)得到的修正值E的对数值lnE；

5)使用步骤4)得到的对数值lnE计算中间值P，其公式是：

6)使用步骤5)得到的中间值P计算反馈增益k，其公式是：

其中，L为功率电感值，V_in为直流电源电压值；

7)根据电压反馈控制律计算控制信号d，其公式是：

8)根据控制信号d与参考电流值i_ref调制开关信号，其过程是：

若参考电流值i_ref为正，则向MOS管驱动模块输出第二MOS管关断信号、第三MOS管关断信号与第四MOS管开通信号，并在前时间内输出第一MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第一MOS管开通信号，在最后时间输出第一MOS管关断信号；若参考电流值i_ref为负，则向MOS管驱动模块输出第一MOS管关断信号、第四MOS管关断信号与第三MOS管开通信号，并在前

时间内输出第二MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第二MOS管开通信号，在最后

时间输出第二MOS管关断信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、在功率电感电流采样噪声较大时，本发明方法能够实现功率电感电流与参考电流的误差值在单个周期内衰减至接近于0；在输出电容采样噪声较大时，本发明方法能够实现输出电容电压与参考电压的误差值在单个周期内衰减至接近于0；因此能够实现H桥逆变器对功率电感电流采样噪声以及输出电容电压采样噪声所带来电磁干扰的抑制，提高H桥逆变器功率电感电流的稳态谐波性能。

2、在负载发生扰动时，本发明方法可以使功率电感电流在极短时间内完成动态过程，达到新的稳定状态，使H桥逆变器对负载扰动具有优秀的动态性能。

3、本发明方法可以直接运用在配套有数字控制模块的传统H桥逆变器上而不需要增加额外的硬件或机构，缩短了工程开发与调试时间。

附图说明

图1为H桥逆变器的电路结构图。

图2为本发明方法的控制流程框图。

图3为存在功率电感电流采样噪声与输出电容电压采样噪声时设计案例仿真稳态波形图。

图4为负载电阻在输出电容电压达到峰值时分别增大与恢复的仿真动态波形图。

具体实施方式

以下结合具体实施例与附图对本发明的实施作进一步的详细叙述。但本发明的实施不限于此。

本实施例所提供的基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法，在SIMULINK仿真平台上得以实现，如图1所示，H桥逆变器为主功率电路，并配套有由负载Z及依次相连的直流电源V_in、采样调理模块、数字控制模块和MOS管驱动模块组成的外围电路；所述H桥逆变器包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、功率电感L和输出电容C；第一MOS管S1的漏极与第二MOS管S2的漏极连接至直流电源V_in的正极，第一MOS管S1的源极连接至第三MOS管S3的漏极，第二MOS管S2的源极连接至第四MOS管S4的漏极，第三MOS管S3的源极与第四MOS管S4的源极连接至直流电源V_in的负极，功率电感L的正极连接至第一MOS管S1的源极，输出电容C的正极连接至功率电感L的负极，输出电容C的负极连接至第二MOS管S2的源极，负载Z与输出电容C并联。

各项参数如下表1所示。

表1实施例各项参数

参数	值	参数	值
				功率电感L	4mH	直流电源电压V<sub>in</sub>	200V
输出电容C	2.2μF	参考电压u<sub>ref</sub>	155sin(100πnT)
				负载Z	30Ω	控制周期T	25μs

其中，参考电压u_ref中的n为数字控制模块所记录的周期数。如图2所示，本实施例所提供的基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法，具体实施如下：

H桥逆变器正常工作，进入中断逻辑后，依次执行下列步骤：

1)根据公式以及由数字控制模块所记录的周期数n可以求得参考电流i_ref＝5.18sin(100πnT)+0.108cos(100πnT)。

2)根据公式

获得状态误差2-范数值||Δx||，其中功率电感电流值i与输出电容电压u在H桥逆变器进入中断逻辑前由采样调理模块获得。

3)根据公式

获得状态误差2-范数值||Δx||的修正值E。

4)计算步骤3)得到的修正值E的对数值lnE；

5)使用步骤4)得到的对数值lnE计算中间值P，其公式是：

6)使用步骤5)得到的中间值P计算反馈增益k，其公式是：

其中，直流电源电压V_in在H桥逆变器进入中断逻辑前由采样调理模块获得。

7)根据电压反馈控制律计算控制信号d，其公式是：

8)根据控制信号d与参考电流值i_ref调制开关信号，其过程是：

若参考电流值i_ref为正，则向MOS管驱动模块输出第二MOS管关断信号、第三MOS管关断信号与第四MOS管开通信号，并在前

时间内输出第一MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第一MOS管开通信号，在最后

时间输出第一MOS管关断信号；若参考电流值i_ref为负，则向MOS管驱动模块输出第一MOS管关断信号、第四MOS管关断信号与第三MOS管开通信号，并在前

时间内输出第二MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第二MOS管开通信号，在最后

时间输出第二MOS管关断信号，完成中断逻辑。

图3显示了存在功率电感电流采样噪声与输出电容电压采样噪声时实施例应用了本发明控制方法后的稳态波形。其中，电流采样白噪声功率为1W，电压采样白噪声为10W。从图3可以看出，逆变器功率电感电流总谐波畸变率仍能维持在2.8％，远低于一般工程要求的5％，达到较高的水平，说明本发明控制方法对电流谐波具有良好的抑制能力。

图4显示了负载电阻在实施例输出电容电压达到峰值时分别增大20Ω与恢复的仿真波形。在暂态过程中，电流由较小值变化至较大值的调节时间为0.31ms；由较大值变化至较小值的调节时间为0.28ms，达到了优秀的程度，说明本发明控制方法在抑制电流谐波的同时使逆变器具有优秀的动态性能。

本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (1)

1.基于对数状态范数反馈的H桥逆变器自适应控制方法，所述H桥逆变器为主功率电路，并配套有由负载及依次相连的直流电源、采样调理模块、数字控制模块和MOS管驱动模块组成的外围电路；所述H桥逆变器包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、功率电感和输出电容；所述第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接至直流电源的正极，所述第一MOS管的源极连接至第三MOS管的漏极，所述第二MOS管的源极连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极连接至直流电源的负极，所述功率电感的正极连接至第一MOS管的源极，所述输出电容的正极连接至功率电感的负极，所述输出电容的负极连接至第二MOS管的源极，所述负载与输出电容并联；

其特征在于，所述H桥逆变器自适应控制方法，包括以下步骤：

1)获得参考电流值i_ref，其计算公式是：

其中，Z为负载电阻值；C为输出电容值；u_ref为根据具体工程需要决定的理想输出电压值；

2)获得状态误差2-范数值||Δx||，其计算公式是：

其中，i为功率电感电流值，u为输出电容电压值；

3)获得状态误差2-范数值||Δx||的修正值E，其计算公式是：

其中，T为数字控制模块的控制周期；

4)计算步骤3)得到的修正值E的对数值lnE；

5)使用步骤4)得到的对数值lnE计算中间值P，其公式是：

6)使用步骤5)得到的中间值P计算反馈增益k，其公式是：

其中，L为功率电感值，V_in为直流电源电压值；

7)根据电压反馈控制律计算控制信号d，其公式是：

8)根据控制信号d与参考电流值i_ref调制开关信号，其过程是：

若参考电流值i_ref为正，则向MOS管驱动模块输出第二MOS管关断信号、第三MOS管关断信号与第四MOS管开通信号，并在前

时间内输出第一MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第一MOS管开通信号，在最后

时间输出第一MOS管关断信号；若参考电流值i_ref为负，则向MOS管驱动模块输出第一MOS管关断信号、第四MOS管关断信号与第三MOS管开通信号，并在前

时间内输出第二MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第二MOS管开通信号，在最后

时间输出第二MOS管关断信号。

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