CN1115763C - 基于模糊补偿的有效值比例积分微分控制方法及其不间断电源 - Google Patents
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Abstract
一种基于模糊补偿的有效值PID控制方法及其控制的不间断电源(UPS)，将PID控制和快速模糊补偿结合对逆变器进行控制：将线性PID调节器的输出作为逆变器的主要调节量，将针对输出电压误差构建的快速模糊补偿器输出作为补偿量；将线性PID调节器输出的主要调节量和快速模糊补偿器输出的补偿量叠加后得出对逆变器的控制量，来实现对输出电压波形的实时控制，从而低成本、高性能的UPS数字控制成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及数字电源控制技术，具体涉及全数字化不间断电源(UPS)的一种数字控制技术以及应用该技术的全数字化不间断电源，更具体地说，涉及一种基于模糊补偿的有效值比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源(UPS)。
背景技术
目前市场上的UPS产品，受数字控制技术的限制，其逆变部分的控制方法绝大多数采取模拟方式，分有效值调节和瞬时值调节。然而，就目前控制方式的发展方向，一般采用数字控制技术。由于数字控制技术能灵活地改善系统的静、动态性能指标，显著地增强系统的工作稳定性和可靠性，且可降低其硬件成本和生产成本，缩短产品开发周期，扩大产品优化空间。但是就目前产品和文献中现有的数字控制技术，采用数字化控制的UPS大多必须采用速度快、功能强的CPU芯片(如32位DSP)，以减小数字电路存在一些不可避免的时间延迟(如采样延迟、计算延迟、调制延迟等)对波形整形的影响。这样，由于硬件成本的限制，使得采用数字控制技术的直流/交流逆变器难以在实际UPS产品中得到广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不间断电源(UPS)的数字控制技术，按照这种控制技术，可以用较低成本的微处理器实现功能较好的不间断电源，即具有较好的性能的同时具有成本低、性能可靠的优点。
本发明的另一目的在于提供一种应用上述数字控制技术的UPS，具有成本低、性能可靠的优点。
本发明的目的是这样实现的，构造一种基于模糊补偿的有效值比例积分微分控制方法，包括以下步骤：
计算输出电压有效值误差e；
计算输出电压误差e1；
计算输出电压误差e1的变化率e1c；
对计算出的所述输出电压有效值误差e进行线性比例积分微分调节，计算出当前工频周期所需的调制比m；
对产生的调制比m进行正弦脉宽调制(以下简称SPWM)，输出主要调节量U1；
根据输出电压误差e1及其变化率e1c，输出模糊补偿量U2；
将所述模糊补偿补偿量U2和所述主要调节量U1进行叠加；
将叠加的量(U1+U2)作为控制量VI送到逆变器。
在上述按照本发明提供的方法中，所述计算输出电压有效值误差e包括以下步骤：采样参考有效值Vd和输出信号Vo；将所述参考有效值Vd和所述输出信号Vo的有效值相减，得出输出电压的有效值误差e。
在上述按照本发明提供的方法中，所述计算输出电压误差e1包括以下步骤：
计算实时参考正弦波Vr：将标准正弦波Vs与参考有效值Vd相乘，得到实时参考正弦波Vr；
将实时参考正弦波Vr和反馈的输出电压Vo相减，计算出输出电压误差e1。
在上述按照本发明提供的方法中，所述计算输出电压误差e1的变化率e1c是通过对所述输出电压误差e1微分获得的。
在上述按照本发明提供的方法中，所述根据输出电压误差e1及其变化率e1c，输出模糊补偿量U2，是采用查找二元查找表的方法实现的，二元查找表中的一元代表输出电压误差e1的数值范围，另一个元代表输出电压误差变化率e1c的数值范围，根据输出电压误差e1和输出电压误差变化率e1c查找，可以得出一个二元模糊补偿量U2。
本发明另一目的这样实现，构造一种不间断电源，包括逆变器和逆变器控制器，其特征在于：所述逆变器由一个结合有效值比例积分微分和正弦脉宽调制控制以及模糊补偿的数字控制装置所控制。
在上述按照本发明的所述不间断电源中，所述数字控制装置包括：
采样器：用于采样参考正弦波电压的有效值Vd以及输出电压Vo的有效值；
减法器1：用于将参考正弦波电压Vr的有效值和输出电压Vo的有效值相减产生输出电压有效值误差e；
线性比例积分微分控制器：对输入的所述输出电压有效值误差e进行线性比例积分微分控制，产生调制比m；
正弦脉宽调制控制器：对比例积分微分器输出的调制比m进行正弦脉宽调制控制，其输出为主要调节量U1；
乘法器：用于将参考有效值Vd和标准正弦波Vs相乘产生实时参考正弦波Vr；
减法器2：用于将实时参考正弦波Vr与输出端反馈的输出信号Vo相减，得出输出电压误差e1；
微分器：用于对输出电压误差e1进行微分，输出所述输出电压误差变化率e1c；
二维模糊补偿器：用于根据输出电压误差e1及输出电压误差变化率e1c，产生模糊补偿量U2；
加法器：用于将所述正弦脉宽调制器输出的主要调节量U1和所述模糊补偿单元输出的补偿量U2相叠加，产生逆变器的控制量Vi。
在上述按照本发明的所述不间断电源中，所述模糊补偿器是一个二元查找表，其中的一元代表输出电压误差e1的数值范围，另一个元代表输出电压误差变化率e1c的数值范围，所述二元查找表的输出是一个补偿数据量U2。
实施本发明的模糊补偿的有效值比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源，由于在比例积分微分调节器设计中考虑了数字系统的时滞效应，保证了逆变器的静、动态稳定性，而模糊补偿器具有较强的实时补偿能力，因此，即使在带功率因数较低(小于0.7)、电流峰制值比较高(大于3∶1)的额定整流性负载(如计算机用开关电源)时均可获得较好的输出电压波形(THD＜5％)。这样，有效地提高了UPS的综合性能。同时，由于本发明的UPS控制技术采用了查找二维模糊表的方法来进行快速模糊补偿，所以可以在价格比较低廉的CPU(如单片机、16位定点DSP)上得到实现，这样可以有效地减低UPS系统的硬件成本，大大增强了中小容量在线式UPS的市场竞争力。下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是按照本发明的基于模糊补偿的有效值比例积分微分控制方法的原理示意图；
图2是实施按照本发明的基于模糊补偿的有效值比例积分微分SPWM控制方法的一个实施例的程序流程图。
具体实施方式
结合图1及图2所示的流程图，说明本发明提供的有效值比例积分微分SPWM结合快速模糊补偿方式的UPS数字控制方法，它包括以下环节：
1、有效值的比例积分微分SPWM调制，得出逆变器的调节量U1：
a、判断一个工频周期T是否结束(框401)：如果一个工频周期T已结束，则按步骤重新计算新工频周期的调制比；如果一个工频周期T未结束，则不需要更新调制比，直接跳至(框405)即对调制比进行SPWM调制；
b、计算该工频周期输出电压误差(框402)：将参考有效值Vd和输出信号Vo的有效值相减，得出该工频周期输出电压的误差e；
c、线性比例积分微分调节(框403)：对输出电压误差e进行比例-积分-微分(比例积分微分)调节，计算出当前工频周期所需的调制比m；
d、更新调制比m(框404)：以当前工频周期所需的调制比代替上一个工频周期的调制比；
e、对调制比m进行SPWM调制(框405)，得出逆变器的调节量U1。
2、对输出电压误差e1实行快速模糊补偿，计算补偿量U2；
a、计算实时参考正弦波(框411)：将标准正弦波Vs与参考有效值Vd相乘，得到实时参考正弦波Vr；
b、计算输出电压误差e1和输出电压误差变化率e1c(框412)：将实时参考正弦波Vr和反馈的输出电压Vo相比较，计算出输出电压误差e1，再对输出电压误差e1求导，得出输出电压误差变化率e1c。
c、二元模糊补偿(框413)：二元模糊补偿是采用查找二元查找表的方法实现的，二元查找表其中的一元代表输出电压误差的数值范围，另一个元代表输出电压误差变化率的数值范围，根据输出电压误差e1和输出电压误差变化率e1c查找可以得出一个二元模糊补偿量U2。
3、计算逆变器的控制量Vi(框420)：将SPWM调制(框405)输出的主要调节量U1和二元模糊补偿(框413)输出的补偿量U2相加，得到对逆变器的控制量Vi。
Claims (8)
1、一种模糊补偿的有效值比例积分微分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算输出电压有效值误差e；
计算输出电压误差e1；
计算输出电压误差e1的变化率e1c；
对计算出的所述输出电压有效值误差e进行线性比例积分微分调节，计算出当前工频周期所需的调制比m；
对产生的调制比m进行正弦脉宽调制，输出主要调节量U1；
根据输出电压误差e1及其变化率e1c，输出模糊补偿量U2；
将所述模糊补偿补偿量U2和所述主要调节量U1进行叠加；
将叠加的量(U1+U2)作为控制量VI送到逆变器。
2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述计算输出电压有效值误差e包括以下步骤：采样参考有效值Vd和输出信号Vo；将所述参考有效值Vd和所述输出信号Vo的有效值相减，得出输出电压的有效值误差e。
3、根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述计算输出电压误差e1包括以下步骤：
计算实时参考正弦波Vr：将标准正弦波Vs与参考有效值Vd相乘，得到实时参考正弦波Vr；
将实时参考正弦波Vr和反馈的输出电压Vo相减，计算出输出电压误差e1。
4、根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述计算输出电压误差e1的变化率e1c是通过对所述输出电压误差e1微分获得的。
5、根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述根据输出电压误差e1及其变化率e1c，输出模糊补偿量U2，是采用查找二元查找表的方法实现的，二元查找表中的一元代表输出电压误差e1的数值范围，另一个元代表输出电压误差变化率e1c的数值范围，根据输出电压误差e1和输出电压误差变化率e1c查找，可以得出一个二元模糊补偿量U2。
6、一种不间断电源，包括逆变器和逆变器控制器，其特征在于：所述逆变器由一个结合有效值比例积分微分和正弦脉宽调制控制以及模糊补偿的数字控制装置所控制。
7、根据权利要求6所述不间断电源，其特征在于，所述数字控制装置包括：
采样器：用于采样参考正弦波电压的有效值Vd以及输出电压Vo的有效值；
减法器1：用于将参考正弦波电压Vr的有效值和输出电压Vo的有效值相减产生输出电压有效值误差e；
线性比例积分微分控制器：对输入的所述输出电压有效值误差e进行线性比例积分微分控制，产生调制比m；
正弦脉宽调制控制器：对比例积分微分器输出的调制比m进行正弦脉宽调制控制，其输出为主要调节量U1；
乘法器：用于将参考有效值Vd和标准正弦波Vs相乘产生实时参考正弦波Vr；
减法器2：用于将实时参考正弦波Vr与输出端反馈的输出信号Vo相减，得出输出电压误差e1；
微分器：用于对输出电压误差e1进行微分，输出所述输出电压误差变化率e1c；
二维模糊补偿器：用于根据输出电压误差e1及输出电压误差变化率e1c，产生模糊补偿量U2；
加法器：用于将所述正弦脉宽调制器输出的主要调节量U1和所述模糊补偿单元输出的补偿量U2相叠加，产生逆变器的控制量Vi。
8、根据权利要求7所述的不间断电源，其特征在于：所述模糊补偿器是一个二元查找表，其中的一元代表输出电压误差e1的数值范围，另一个元代表输出电压误差变化率e1c的数值范围，所述二元查找表的输出是一个补偿数据量U2。
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