CN115842485A - 一种交流测试电源的双环控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交流测试电源环路控制技术领域，具体涉及一种交流测试电源的双环控制系统及控制方法，双环控制系统基于电感电流反馈和输出电流前馈组成电容电流控制。本发明采用电压外环控制电路和电流内环控制电路的双环控制，电压外环控制电路采用新型PID控制，较传统PID控制提高了电源编程模式动态能的跟随性。电流内环控制电路是采用同比例的电感电流反馈和电容电流前馈相结合，构造出电容电流控制的内环，具有较硬的外特性，在保证系统带宽的同时，又具有交流测试电源的限流保护。

Description

一种交流测试电源的双环控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于交流测试电源控制技术领域，具体涉及的是一种交流测试电源的双环控制系统及控制方法。

背景技术

随着交流测试电源应用越来越广泛，人们对其输出频率范围要求越来越宽，并且还需要在编程模式下保证波形具有很好的跟随性。

交流测试电源的控制系统主要是对逆变器的控制。目前，逆变器的控制环路主要分为单环控制和双环控制两种。其一，单环控制系统以输出电压瞬时值作为被控对象，控制输出电压波形及精度，但是单环控制导致输出带宽大大降低，且不能控制输出电流波形；其二，双环控制系统则是由电压反馈外环和电流反馈内环组成，内环为外环提供了一个宽频带的带宽，有利于提高系统整体带宽。其中电流反馈内环主要分为电感电流环和电容电流环两种，对于电感电流内环、电压外环控制系统，负载电流作为逆变器的外部扰动量，控制系统对其扰动控制能力较差，造成动态响应速度较差，且随着负载加重系统带宽严重降低。对于电容电流的内环、电压外环控制系统，电容电流作为瞬时值进行控制，使得输出电压通过电容电流进行了提前校正，具有外特性硬的特点，保证了系统带宽和动态响应，但是缺乏对电流波形的校正，且不能通过限流实现对逆变器的保护。

为此，研发一种响应速度快、稳定性好、频带宽的双环控制系统和方法尤为重要。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种新型双环控制系统，采用输出电流前馈加电感电流反馈相结合的内环控制，同时兼顾电容电流内环和电感电流内环的优点，并且采用新型外环PID控制，保证编程模式下输出波形具有很好的跟随性。本发明所采用的技术方案如下：

一种交流测试电源的双环控制系统，包括电压外环控制电路和电流内环控制电路；所述的电压外环控制电路包括PID运算电路和比例运算电路，所述的电流内环控制电路包括电感电流反馈电路、输出电流前馈电路和比例电路；所述的电压外环控制电路的输出量是电流内环控制电路的输入量。

优选的，PID运算电路结构为：电阻R1一端为电压给定信号U_g输入，电阻R1另一端与电阻R2和电容C1并联一端相连，电阻R2和电容C1并联另一端与运放OP1负输入端相连；电阻R3一端为输出电压反馈信号U_f输入，电阻R3另一端与电阻R4和电容C2并联一端相连，电阻R4和电容C2并联另一端与运放OP1负输入端相连；电阻R5和电容C3串联后与电容C4进行并联连接，电容C4与电阻R5并联的一端与运放OP1负输入端相连，电容C4与电容C3并联的一端与运放OP1输出端相连。电阻R6一端接地另一端与运放OP1正输入端相连。比例运算电路结构为：电阻R7一端与运放OP1输出端相连，电阻R7另一端与运放OP2正输入端相连，电阻R8一端接地另一端与运放OP2负输入端相连，电阻R9一端与运放OP2负输入端相连，电阻R9另一端与运放OP2输出端相连。

优选的，电阻R1和电阻R3的选择满足以下关系：

。

优选的，电感电流反馈电路结构为：电阻R13一端为反馈电感电流i_L输入，电阻R13另一端与运放OP3正输入端相连，运放OP3负输入端与运放OP3自身输出端相连。输出电流反馈电路结构为：电阻R11一端为输出电感电流i_o输入，电阻R11另一端与运放OP4正输入端相连，运放OP4负输入端与运放OP4自身输出端相连。比例电路结构为：电阻R14一端与运放OP3输出端相连，电阻R14另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R12一端与运放OP4输出端相连，电阻R12另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R10一端为电压外环输出U_Gi，电阻R10另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R15一端接地，电阻R15另一端与运放OP5正输入端相连。电阻R16和电容C6并联，一端与运放OP5负输入端相连，另一端与运放OP5输出端相连。

一种交流测试电源的双环控制方法，应用前述的一种交流测试电源的双环控制系统，包括以下步骤：

步骤1、电压给定信号U_g和输出电压反馈信号U_f输入电压外环控制电路，K_V为电压反馈比例系数，G_V为外环前向通道增益，U_g和U_f作差得到误差量，并将误差量放大G_V倍后得到U_Gi作为外环输出，用于跟随输出电压误差，其中，外环输出U_Gi和电流内环控制电路相连，作为电流内环控制电路的给定量；

步骤2、电流内环控制电路中，K_O为输出电流前馈比例系数，K_i为电感电流反馈比例系数，其中K_O和K_i大小相等符号相反，I_KO和I_ki分别为输出电流和电感电流反馈信号，G_i为电流内环前向通道的增益，I_ki和I_KO作差得到电容电流，并跟随外环输出U_Gi，实现对电流波形的控制。

步骤3、电容C1为逆变器桥母线电容，T1-T4构成全桥逆变桥，电感L、电容C及电阻Z构成LCR滤波，Ro为输出负载。

本发明的有益效果：

本发明的双环控制系统，内环控制为电感电流和输出电流构造出的电容电流反馈，具有电容电流特点，外特性硬，不受负载变化而变化，动态响应快、带非线性负载能力强，并且兼顾电感电流优点，对负载电流进行一定限制和短路保护功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1为本发明实施例的电压外环控制电路的结构示意图。

图2为本发明实施例的电流内环控制电路的结构示意图。

图3为本发明实施例的电流等效关系图。

图4为本发明实施例的双环控制系统的原理框图。

图5 为本发明实施例的等效电容电流双环控制系统反馈原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种新型双环控制系统，采用输出电流前馈加电感电流反馈相结合的内环控制，同时兼顾电容电流内环和电感电流内环的优点，并且采用新型外环PID控制，保证系统带宽的同时又提高了系统的响应速度。

如图1所示，为本发明实施例的电压外环控制电路的结构示意图。PID运算电路结构为：电阻R1一端为电压给定信号U_g输入，电阻R1另一端与电阻R2和电容C1并联一端相连，电阻R2和电容C1并联另一端与运放OP1负输入端相连；电阻R3一端为输出电压反馈信号U_f输入，电阻R3另一端与电阻R4和电容C2并联一端相连，电阻R4和电容C2并联另一端与运放OP1负输入端相连；电阻R5和电容C3串联后与电容C4进行并联连接，电容C4与电阻R5并联的一端与运放OP1负输入端相连，电容C4与电容C3并联的一端与运放OP1输出端相连。电阻R6一端接地另一端与运放OP1正输入端相连。比例运算电路结构为：电阻R7一端与运放OP1输出端相连，电阻R7另一端与运放OP2正输入端相连，电阻R8一端接地另一端与运放OP2负输入端相连，电阻R9一端与运放OP2负输入端相连，电阻R9另一端与运放OP2输出端相连。

PID运算电路的输入分别为电压给定信号U_g和输出电压反馈信号U_f ，相对传统PID运算增加了R1和R3，增加了两个零点，有利于环路U_g和U_f 突变时，改善系统稳定性。其中，电阻R1和电阻R3的选择满足以下关系：

。电阻R7、R8、R9作为外环单独比例环节，有利于提高PID误差放大的前增益，提高调节的灵活性。

如图2所示，为本发明实施例的电流内环控制电路的结构示意图。电感电流反馈电路结构为：电阻R13一端为反馈电感电流i_L输入，电阻R13另一端与运放OP3正输入端相连，运放OP3负输入端与运放OP3自身输出端相连。输出电流反馈电路结构为：电阻R11一端为输出电感电流i_o输入，电阻R11另一端与运放OP4正输入端相连，运放OP4负输入端与运放OP4自身输出端相连。比例电路结构为：电阻R14一端与运放OP3输出端相连，电阻R14另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R12一端与运放OP4输出端相连，电阻R12另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R10一端为电压外环输出U_Gi，电阻R10另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R15一端接地，电阻R15另一端与运放OP5正输入端相连。电阻R16和电容C6并联，一端与运放OP5负输入端相连，另一端与运放OP5输出端相连，Ucomp为运放OP5输出，即内环输出用于产生SPWM信号。

如图3所示，为本发明实施例的电流等效关系图，同时参考附图4和附图5。反馈电感电流i_L等于电容电流i_c和输出电感电流i_o之和。即：

i_L=i_c+i_o （1）

内环反馈电感电流i_L和输出电感电流i_o采样送入内环比例大小相等，符号相反，可得：

K_o=-K_i （2）

由式（1）和式（2）可得，送入内环电流为经过K_i反馈的电容电流，即：

I_Ci=I_Ki-I_KO （3）

由此可知，内环电流控制为反馈电感电流和输出电感电流构造出的电容电流反馈，具有电容电流的特点，外特性硬，不受负载变化而变化，动态响应快、带非线性负载能力强，并且兼顾电感电流的优点，对负载电流进行一定限制和短路保护功能。

如图4所示，为本发明实施例的双环控制系统的原理框图。如图5所示，为本发明实施例的等效电容电流双环控制系统反馈原理框图。图4中，T1~T4为全桥逆变电路，T1上端和T3上端相连，T1下端同T2上端相连，T3下端同T4上端相连，T4下端同T2下端相连；电容C1为逆变器母线电容，两端分别连接T1上端和T2下端；T1和T2中间为A点，T3和T4中间为B点，B点同电感L左边相连，电感右边连接电容C，电容C另一端同电阻R_Z相连，电阻R_Z另一端连接母线桥的A点，R_O为输出负载，一端同电容C上端相连，另一端同R_Z下端相连，即电容C和电阻R_Z串联后，同输出负载R_O并联，电感左边圆圈和输出负载上面圆圈为电流霍尔采样点。K_v为输出电压反馈系数，一端输出电压采样点，另一端产生U_f送入内环比较点；K_i为电感电流反馈系数，一端连电感电流采样点，另一端产生I_Ki送入内环比较点；K_O为输出电流反馈系数，一端连输出电流采样点，另一端产生I_KO送入内环比较点；G_V为外环环节，左端同反馈电压U_f和U_g比较作差值相连，用于放大误差，G_V右端同内环比较点相连，产生U_Gi作为内环基准；G_i为内环环节，左边同内环U_Gi、I_KO、I_Ki三个量比较作差相连，右端连接SPWM产生信号。图5的电路结构与图4相似，在此不再赘述。

一种交流测试电源的双环控制方法，应用前述的一种交流测试电源的双环控制系统，包括以下步骤：

步骤1、电压给定信号U_g和输出电压反馈信号U_f输入电压外环控制电路，K_V为电压反馈比例系数，G_V为外环前向通道增益，U_g和U_f作差得到误差量，并将误差量放大G_V倍后得到U_Gi作为外环输出，用于跟随输出电压误差。其中，外环输出U_Gi和电流内环控制电路相连，作为电流内环控制电路的给定量。

步骤2、电流内环控制电路中，K_O为输出电流前馈比例系数，K_i为电感电流反馈比例系数，其中K_O和K_i大小相等符号相反，I_KO和I_ki分别为输出电流和电感电流反馈信号，G_i为电流内环前向通道的增益，I_ki和I_KO作差得到电容电流，并跟随外环输出U_Gi，实现对电流波形的控制。

步骤3、电容C1为逆变器桥母线电容，T1-T4构成全桥逆变桥，电感L、电容C及电阻Z构成LCR滤波，Ro为输出负载。

本发明实施例中，未详细描述的技术特征均为现有技术或者常规技术手段，在此不再赘述。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种交流测试电源的双环控制系统，其特征在于，包括电压外环控制电路和电流内环控制电路；所述的电压外环控制电路包括PID运算电路和比例运算电路，所述的电流内环控制电路包括电感电流反馈电路、输出电流前馈电路和比例电路；所述的电压外环控制电路的输出量是电流内环控制电路的输入量。

2.根据权利要求1所述的一种交流测试电源的双环控制系统，其特征在于，PID运算电路结构为：电阻R1一端为电压给定信号U_g输入，电阻R1另一端与电阻R2和电容C1并联一端相连，电阻R2和电容C1并联另一端与运放OP1负输入端相连，电阻R3一端为输出电压反馈信号U_f输入，电阻R3另一端与电阻R4和电容C2并联一端相连，电阻R4和电容C2并联另一端与运放OP1负输入端相连；电阻R5和电容C3串联后与电容C4进行并联连接，电容C4与电阻R5并联的一端与运放OP1负输入端相连，电容C4与电容C3并联的一端与运放OP1输出端相连，电阻R6一端接地另一端与运放OP1正输入端相连；比例运算电路结构为：电阻R7一端与运放OP1输出端相连，电阻R7另一端与运放OP2正输入端相连，电阻R8一端接地另一端与运放OP2负输入端相连，电阻R9一端与运放OP2负输入端相连，电阻R9另一端与运放OP2输出端相连。

3.根据权利要求2所述的一种交流测试电源的双环控制系统，其特征在于，电阻R1和电阻R3的选择满足以下关系：

。

4.根据权利要求3所述的一种交流测试电源的双环控制系统，其特征在于，电感电流反馈电路结构为：电阻R13一端为反馈电感电流i_L输入，电阻R13另一端与运放OP3正输入端相连，运放OP3负输入端与运放OP3自身输出端相连；输出电流反馈电路结构为：电阻R11一端为输出电感电流i_o输入，电阻R11另一端与运放OP4正输入端相连，运放OP4负输入端与运放OP4自身输出端相连；比例电路结构为：电阻R14一端与运放OP3输出端相连，电阻R14另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R12一端与运放OP4输出端相连，电阻R12另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R10一端为电压外环输出U_Gi，电阻R10另一端与运放OP5负输入端相连；电阻R15一端接地，电阻R15另一端与运放OP5正输入端相连；电阻R16和电容C6并联，一端与运放OP5负输入端相连，另一端与运放OP5输出端相连。

5.一种交流测试电源的双环控制方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的一种交流测试电源的双环控制系统，包括以下步骤：

步骤1、电压给定信号U_g和输出电压反馈信号U_f输入电压外环控制电路，K_V为电压反馈比例系数，G_V为外环前向通道增益，U_g和U_f作差得到误差量，并将误差量放大G_V倍后得到U_Gi作为外环输出，用于跟随输出电压误差，其中，外环输出U_Gi和电流内环控制电路相连，作为电流内环控制电路的给定量；

步骤2、电流内环控制电路中，K_O为输出电流前馈比例系数，K_i为电感电流反馈比例系数，其中K_O和K_i大小相等符号相反，I_KO和I_ki分别为输出电流和电感电流反馈信号，G_i为电流内环前向通道的增益，I_ki和I_KO作差得到电容电流，并跟随外环输出U_Gi，实现对电流波形的控制；

步骤3、电容C1为逆变器桥母线电容，T1-T4构成全桥逆变桥，电感L、电容C及电阻Z构成LCR滤波，Ro为输出负载。

Images