CN1121089C - 基于模糊补偿的逆变器数字控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于模糊补偿的逆变器数字控制方法和装置，对输出电压误差进行线性PID调节，还对输出电压误差进行快速模糊控制，并将其输出作为补偿量对线性PID调节器输出进行实时校正。通过模糊控制器的实时校正能显著改善逆变器的输出电压波形，并且不影响系统稳定性。其中，模糊补偿量的获取可以通过查找扩大化的二维模糊表的方法实现，省去了常规的模糊化和反模糊化过程，降低了对微处理器速度的要求，在提高控制精度同时不会增加硬件成本，从而提高了产品的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及电源数字控制技术，具体涉及一种基于模糊补偿的逆变器数字控制方法及装置。
背景技术
现有的逆变器模拟控制系统，硬件环节较多，器件一致性和稳定性难以保证；现有逆变器数字控制系统要么控制能力较弱(如只提供输出电压的有效值控制，不实时控制其波形的正弦度)，要么所需的硬件平台过高(如32位DSP等)。数字控制系统的问题来自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。这样，由于硬件成本的限制，使得高性能的数字化逆变器难以在实际产品中获得应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于模糊补偿的逆变器数字控制方法，按照这种数字控制方法控制的逆变器以及据此制造的UPS、变频器及其它工业电源具有输出电压波形好、成本低、性能可靠的优点。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种基于模糊补偿的逆变器数字控制装置，利用这种控制装置制造的UPS、变频器及其它工业电源具有输出电压波形好、成本低、性能可靠的优点。
本发明上述技术问题这样解决，构造一种基于模糊补偿的逆变器数字控制方法，包括以下步骤：计算输出电压误差，对输出电压误差进行线性PID调节的同时，还对所述输出电压误差进行快速模糊控制，所述快速模糊控制的输出作为补偿量对所述线性PID调节的输出进行实时校正。
按照本发明提供的基于模糊补偿的逆变器数字控制方法，其特征在于，所述计算输出电压误差包括以下步骤：将逆变器的参考正弦波与其交流输出电压进行相减。
按照本发明提供的基于模糊补偿的逆变器数字控制方法，其特征在于，所述快速模糊控制的输出作为补偿量对所述线性PID调节的输出进行实时校正包括以下步骤：计算所述输出电压误差的变化率，根据所述输出电压误差和所述输出电压误差变化率获取模糊补偿信号，将所述模糊补偿信号叠加到所述线性PID调节的输出信号上，最后将叠加形成的信号作用于逆变器的输入端(即逆变器的调制环节)。
按照本发明提供的基于模糊补偿的逆变器数字控制方法，其特征在于，所述根据输出电压误差和所述输出电压误差变化率获取模糊补偿信号是通过查找一个二元查找表获得一个补偿数据量，其中的一元代表输出电压误差的数值范围(即区间)，另一元代表输出电压误差变化率的数值范围。
本发明另一技术问题这样解决，构造一种基于模糊补偿的逆变器数字控制装置，其特征在于包括：
减法器，用于产生逆变器输出电压与输入参考正弦波电压Vr之差的输出电压误差E；
线性比例-积分-微分(PID)控制器，用于对所述减法器的输出进行线性PID调节；
微分器，用于对所述的输出电压误差E进行微分，输出所述输出电压的变化率EC；
二维模糊控制单元，用于根据输出电压误差E及输出电压误差变化率EC，产生模糊补偿量；
加法器，用于将所述二维模糊控制单元产生的模糊控制补偿量与所述线性PID控制器的输出进行叠加合成，并将叠加合成后的信号作用于逆变器输入端。
按照本发明提供的基于模糊补偿的逆变器数字控制装置，其特征在于：所述二维模糊控制单元是一个二元查找表，其中的一元代表输出电压误差的数值范围，另一元代表输出电压误差变化率的数值范围，所述二元查找表的输出是一个补偿数据量。
按照本发明提供的基于模糊补偿的逆变器数字控制装置，其特征在于：所述减法器、线性比例-积分-微分(PID)控制器、微分器、二维模糊控制单元、加法器的实现可包含在一个微处理器或数字信号处理器中。
实施本发明提供的基于模糊补偿的逆变器数字控制方法及装置，所采用的线性PID控制器，保证了逆变器的静、动态稳定性；而模糊控制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)时亦可获得较好的输出电压波形(THD＜5％)。本发明中，获取模糊补偿量的过程可通过直接查找二维模糊表的方法实现(即可通过扩大模糊表的规模来省去常规模糊控制器中的模糊化和非模糊化过程)。这样，与现有的数字控制的逆变器相比，控制器可以采用价格低廉的CPU(如单片机、16位DSP等)实现，可有效地降低逆变器的硬件成本，提高逆变器的综合性能。
附图说明
图1是传统逆变器瞬时值调节SPWM控制方法的原理示意图；
图2是传统模糊控制器的原理框图；
图3是本发明基于模糊补偿的逆变器数字控制装置的原理框图。
图4是实施本发明基于模糊补偿的逆变器数字控制方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
如图1所示，传统的瞬时值调节SPWM数字控制方法包括以下环节：1)计算输出电压误差e：将反馈到调节器输入端的输出信号Vo的瞬时采样值从参考正弦波Vr的瞬时采样值中减去获得到输出电压误差e；2)PID调节：针对输出电压误差e进行PID调节，得到控制量Vi；3)对逆变器进行实时控制：将控制量Vi直接作用于逆变器的输入端(即逆变器的SPWM调制环节)，逆变器的输出为其输出电压Vo。
图2示出传统模糊控制器的原理框图，从中可见，先要在框201中对误差E及误差变化率EC进行模糊化处理，形成两个模糊输入量，在框202中，根据由框203提供的模糊控制规则，对模糊输入量进行模糊决策，最后在框204中，将模糊决策输出量进行反模糊化处理，获得精确化的控制量。
图3示出本发明的基于模糊补偿的逆变器数字控制装置的逻辑框图。如图所示，本发明的逆变器数字控制器包括线性比例-积分-微分(PID)控制器301、二维模糊控制单元302、加法器303、减法器304、微分器305以及被控对象即直流/交流变换器306。其控制原理是这样的：在逆变器的输入端输入的参考正弦波Vr，从逆变器306输出端反馈回输入端的输出交流电压Vo经减法器304获得系统的输出电压误差E。输出电压误差E输入到线性比例-积分-微分(PID)控制器301，经比例-积分-微分调节后，线性比例-积分-微分(PID)控制器301输出为调整量U1。同时，输出电压误差E经微分器305微分后得到系统误差变化率EC。将系统误差E和系统误差变化率EC作为输入参数输入到二维模糊控制单元302，即根据系统误差E和系统误差变化率EC这两个参数查找模糊表，可以直接查出补偿量U2。调整量U1和补偿量U2经加法器303叠加后，即可以得到用于控制普通直流/交流转换电路的控制量Vc。控制量Vc作用于直流/交流转换单元306(即逆变器)后，逆变器输出的就是一个综合性能较为理想的正弦波电压Vo。
作为实现本发明提供的逆变器数字控制方法的一个实施例，如图4所示，在框401开始后执行的具体步骤如下：
1、计算系统误差E(框402)和系统误差变化率EC(框404)：将直流/交流逆变器输出的正弦波从参考正弦波Vr减除，获得系统误差E(框402)，再对系统误差E进行微分，得出系统误差变化率EC(框404)；
2、针对系统误差E进行比例-积分-微分(PID)处理，得到调整量U1(框403)；
3、采用查找模糊表的方法，根据系统误差E和系统误差变化率EC这两个参数实时获取模糊补偿量U2(框405)；
4、计算总控制量：再将调整量U1和补偿量U2叠加，得到控制量Vc(框406)；
5、将控制量Vc作用于直流/交流逆变器，即可获得较好的输出电压波形和稳定性(框407)。
Claims (9)
1、一种基于模糊补偿的逆变器数字控制方法，包括以下步骤：计算输出电压误差；在对输出电压误差进行线性PID调节的同时，还对输出电压误差进行模糊控制；其特征在于，还包括以下步骤：将所述模糊控制的输出作为补偿量与所述PID调节的输出叠加；将叠加后的信号作用到逆变器的输入端进行实时控制。
2、根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述计算输出电压误差包括以下步骤：从逆变器输出电压Vo瞬时采样值，减去参考正弦波电压Vr瞬时采样值，得到输出电压误差。
3、根据权利要求2所述控制方法，其特征在于，所述将所述模糊控制的输出作为补偿量与所述PID调节的输出叠加，包括以下步骤：对所述输出电压误差进行微分得到输出误差变化率；根据所述输出电压误差和所述输出电压误差变化率获取模糊补偿信号；将所述模糊补偿信号叠加到所述线性PID调节的输出信号上。
4、根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电压误差和所述输出电压误差变化率获取模糊补偿信号，是通过查找一个二元查找表得到一个补偿数据量，其中的一元代表输出电压误差的数值范围，另一元代表输出电压误差变化率的数值范围。
5、一种基于模糊补偿的逆变器数字控制装置，其特征在于，包括：
减法器，用于产生逆变器的参考正弦波电压Vr与实际输出电压Vo之差，即输出电压误差E；
线性比例-积分-微分(PID)控制器，用于对所述减法器的输出，即输出电压误差E，进行线性PID调节；
微分器，用于对输入的输出电压误差E进行微分，输出所述输出电压误差的变化率EC；
二维模糊控制单元，用于根据输出电压误差E及输出电压误差变化率EC，产生模糊补偿量；
加法器，用于将所述二维模糊控制单元产生的模糊补偿量与所述线性PID控制器输出的调整量进行叠加，并将叠加合成后的信号作用到逆变器输入端。
6、根据权利要求5所述控制装置，其特征在于：所述二维模糊控制单元是一个二元查找表，其中的一元代表输出电压误差的数值范围，另一元代表输出电压误差变化率的数值范围，所述二元查找表的输出是一个补偿数据量。
7、根据权利要求5所述控制装置，其特征在于：所述减法器、线性比例-积分-微分(PID)控制器、微分器、二维模糊控制单元、加法器可包含在一个微处理器中。
8、根据权利要求5所述控制装置，其特征在于：所述二维模糊控制单元包括一个模糊化处理单元、存储模糊控制规则的模糊控制规则单元以及根据模糊化处理单元输出的模糊量和模糊控制规则单元确定模糊输出的模糊决策单元，还包括将所述模糊决策单元输出的模糊量进行反模糊处理的反模糊化处理单元。
9、根据权利要求8所述控制装置，其特征在于：所述减法器、线性比例-积分-微分(PID)控制器、微分器、二维模糊控制单元、加法器的实现可包含在一个微处理器中。
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