CN116566178A - 一种双闭环的逆变控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双闭环的逆变控制系统，包括第一加法器、第二加法器、第一坐标变换装置、第二坐标变换装置、第三坐标变换装置、比例积分控制器、比例控制器、PWM驱动信号、逆变桥、直流电源、滤波器、负载和PLL锁相环反馈电路，以负载侧电流和滤波电容支路电流为反馈，利用比例积分控制器使系统稳定。为了减小系统输出误差，设计了五相系统坐标转换方法，将反馈的正弦信号从自然坐标系转换为旋转坐标系下的分量，进行控制器的运算；使系统性能指标满足使用需求。

Description

一种双闭环的逆变控制系统
技术领域
本发明涉及逆变控制技术领域，具体涉及一种双闭环的逆变控制系统。
背景技术
电压源逆变器一直都是工业发展中使用最为广泛的电力装置之一，可利用于新能源发电、电源设计、电动汽车、船舶电力、高铁以及航空航天等重重要领域，虽然逆变系统的设计技术已经相当成熟，但在此方面的优化研究一直受到广泛关注。相比于传统单相或三相逆变器，多相逆变系统因具有较小的相电流、电流纹波和较好的可靠性而引起相关学者的深入研究。近年来，以五相逆变器为代表的多相逆变系统在电机驱动、船舶电力推进和电能转换(三相转换为多相)方面取得了重要科研成就，但目前针对多相逆变器在供电设计方面的控制策略鲜有研究。
因此，如何设计出一种针对多相逆变器的控制系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提出一种双闭环逆变控制系统，以负载侧电流和滤波电容支路电流为反馈，利用PI调节器使系统稳定。为了减小系统输出误差，设计了五相系统坐标转换方法，将反馈的正弦信号从自然坐标系转换为旋转坐标系下的分量，进行控制器的运算。使系统性能指标满足设计预期。针对现有技术缺点本发明做出了以下的改进和优化。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
提供了一种双闭环的逆变控制系统，包括第一加法器、第二加法器、第一坐标变换装置、第二坐标变换装置、第三坐标变换装置、比例积分控制器、比例控制器、PWM驱动信号、逆变桥、直流电源、滤波器、负载和PLL锁相环反馈电路；
所述第一加法器与比例积分控制器连接，所述比例积分控制器与第二加法器连接，所述第二加法器与比例控制器连接，所述比例控制器与第三坐标变换装置连接，所述第三坐标变换装置与PWM驱动信号连接，所述PWM驱动信号与逆变桥连接，所述逆变桥分别与直流电源和滤波器连接，所述滤波器分别与负载、第一坐标变换装置和第二坐标变换装置连接，所述负载与PLL锁相环反馈电路与第一坐标变换装置连接，所述第一坐标变换装置与第二坐标变换装置连接；
所述第一坐标变换装置还与第一加法器连接，所述第二坐标变换装置还与第二加法器连接。
优选的，根据所述一种双闭环的逆变控制系统建立控制系统模型，所述控制系统模型包括外环比例-积分控制器和内环比例-积分控制器，其中在外环比例-积分控制器中，有：
Gpi(S)＝kp+ki/s
其中kp表示外环比例-积分控制器的比例增益，ki表示外环比例-积分控制器的积分增益系数，s表示平面。
更优的，所述内环比例-积分控制器中，有：
Gc(S)＝kc
其中kc表示内环比例-积分控制器的比例增益。
优选的，所述逆变桥包括多组逆变装置，所述逆变装置包括一个三极管和一个二极管，其中三极管的发射极与二极管的输入端连接，二极管的输出端与三极管的集电极连接。
优选的，所述PWM驱动信号用于生成不同占空比的PWM信号，以驱动逆变桥中各逆变装置完成开断。
优选的，所述第一坐标变换装置、第二坐标变换装置和第三坐标变换装置用于将n相电路的状态信号量在自然坐标系下坐标转换为旋转坐标系下坐标。
优选的，所述直流电源包括冲击电流抑制电路，所述冲击电流抑制电路包括DC/DC电源模块、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、稳压管V1～V3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R8。
更优的，所述DC/DC电源模块输出端连接有电容C1，所述DC/DC电源模块输入端连接有电容C4，其中电容C4一端与电阻R7连接，另一端与电容C3和稳压管V3连接，所述电容C3还与电阻R5串联，所述电阻R5与电阻R4并联，且电阻R4一端依次连接有稳压管V3和电容C2，所述电容C2与稳压管V2串联，所述稳压管V2与电阻R3并联，所述电容C2还分别与稳压管V1和电阻R2并联，且稳压管V1和电阻R2还分别与电阻R1、电阻R3和稳压管V2连接，所述电阻R1还分别与电阻R6和电阻R7连接。
本发明提供了一种双闭环的逆变控制系统，不仅解决了滤波器引入的谐振问题，使逆变系统稳定。并解决了多相电路系统的坐标变换问题，实现在旋转坐标系下给定参考量，减小系统的稳态误差；本发明系统具有稳态误差小、输出电流谐波畸变率低、抗干扰能力强和鲁棒性好等优点；并通过冲击电流抑制电路，其稳压管(mos管)与其他器件简单组合就可以构成冲击电流抑制电路，因此可以根据电子设备的工作环境以及使用要求进行设计调整。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明一种双闭环的逆变控制系统的框架示意图；
图2为本发明双闭环控制系统方图；
图3为本发明化简后的控制系统方图；
图4为本发明冲击电流抑制电路的电路示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种双闭环的逆变控制系统作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在一实施例中，如图1所示，提供了一种双闭环的逆变控制系统，包括第一加法器、第二加法器、第一坐标变换装置、第二坐标变换装置、第三坐标变换装置、比例积分控制器、比例控制器、PWM驱动信号、逆变桥、直流电源、滤波器、负载和PLL锁相环反馈电路；
所述第一加法器与比例积分控制器连接，所述比例积分控制器与第二加法器连接，所述第二加法器与比例控制器连接，所述比例控制器与第三坐标变换装置连接，所述第三坐标变换装置与PWM驱动信号连接，所述PWM驱动信号与逆变桥连接，所述逆变桥分别与直流电源和滤波器连接，所述滤波器分别与负载、第一坐标变换装置和第二坐标变换装置连接，所述负载与PLL锁相环反馈电路与第一坐标变换装置连接，所述第一坐标变换装置与第二坐标变换装置连接；
所述第一坐标变换装置还与第一加法器连接，所述第二坐标变换装置还与第二加法器连接。
优选的，根据所述一种双闭环的逆变控制系统建立控制系统模型，所述控制系统模型包括外环比例-积分控制器和内环比例-积分控制器，其中在外环比例-积分控制器中，有：
Gpi(S)＝kp+ki/s
其中kp表示外环比例-积分控制器的比例增益，ki表示外环比例-积分控制器的积分增益系数，s表示平面。
更优的，所述内环比例-积分控制器中，有：
Gc(S)＝kc
其中kc表示内环比例-积分控制器的比例增益。
如图2所示，为本发明双闭环控制系统方图，其中Gpi(S)为外环比例－积分控制器，Gc(S)为内环比例-积分控制器，为了分析本发明系统的性能指标，利于控制器参数的其他元器件参数的设计，将控制系统模型进行简化。简化后的控制系统模型如图3所示，其中，GA(S)和GB(S)的表达式如下：
同时，此闭环系统的开环传递函数T(S)可表示为:
优选的，所述逆变桥包括多组逆变装置，所述逆变装置包括一个三极管和一个二极管，其中三极管的发射极与二极管的输入端连接，二极管的输出端与三极管的集电极连接。
优选的，所述PWM驱动信号用于生成不同占空比的PWM信号，以驱动逆变桥中各逆变装置完成开断。
优选的，所述第一坐标变换装置、第二坐标变换装置和第三坐标变换装置用于将n相电路的状态信号量在自然坐标系下坐标转换为旋转坐标系下坐标。
为了减小稳态误差，采用预期输出值在旋转坐标系下的分量作为给定参考量，但同时也引入了多相系统的坐标变换问题。若一个n(n≥3)相电路的状态信号量在自然坐标系系下可以表示为而其在旋转坐标系下可表示为则/>其中，C(θ)表示坐标变换矩阵，θ为相应状态量在自然坐标系下的相角。得到多相电路系统坐标转换矩阵的推广表达式，如下：
其中：当n为奇数时，m＝(n-1)/2，并去掉最后一行；当n为偶数时，m＝n/2-1。而且根据多相系统坐标变换相关理论可知，对于正弦对称的时变信号，其从自然坐标系转换到旋转坐标系后，只有两个分量不为零，其通用表达式如下：
优选的，所述直流电源包括冲击电流抑制电路，所述冲击电流抑制电路包括DC/DC电源模块、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、稳压管V1～V3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R8。
更优的，所述DC/DC电源模块输出端连接有电容C1，所述DC/DC电源模块输入端连接有电容C4，其中电容C4一端与电阻R7连接，另一端与电容C3和稳压管V3连接，所述电容C3还与电阻R5串联，所述电阻R5与电阻R4并联，且电阻R4一端依次连接有稳压管V3和电容C2，所述电容C2与稳压管V2串联，所述稳压管V2与电阻R3并联，所述电容C2还分别与稳压管V1和电阻R2并联，且稳压管V1和电阻R2还分别与电阻R1、电阻R3和稳压管V2连接，所述电阻R1还分别与电阻R6和电阻R7连接。
如图4所示为本发明冲击电流抑制电路示意图，输入电压先经过电阻R5，先一步降压，再由电阻R1和R2分压后驱动MOS管导通后，形成供电回路，给DC/DC模块供电。通过调整电阻R1、R2和电容C2和C3可以调整MOS管的导通时间，达到调整导通瞬间冲击电流的大小的目的。当输入电压过大时，稳压管V1可保护MOS管栅源极，以免MOS管被击穿。电容C4为冲击抑制电路后端滤波电容以及DC/DC模块内部电容的等效总和。C4的容值比电容C 2和C3的容值大很多，所以在上电的瞬间输入电压绝大部分都加在了C2和C3上。R3为泄放电阻，MOS管导通后，电容C 2上的电荷通过R3进行泄放，以此保证MOS管在下一次导通时C2两端电压比MOS管的开启电压小，从而保护了电路保护系统稳定运行，由于逆变器经常工作在瞬时功率较大且不断开闭，该冲击电流抑制电路能够有效将冲击电流抑制到正常工作电流的5倍范围内，且电路已成功应用于实际工作中，工作性能良好稳定。
本实施例中基于MOS管的冲击电流电路可应用到大功率负载，通过调整MOS管以及其他器件的选型后也可以应用到小功率负载电路中。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，包括第一加法器、第二加法器、第一坐标变换装置、第二坐标变换装置、第三坐标变换装置、比例积分控制器、比例控制器、PWM驱动信号、逆变桥、直流电源、滤波器、负载和PLL锁相环反馈电路；
所述第一加法器与比例积分控制器连接，所述比例积分控制器与第二加法器连接，所述第二加法器与比例控制器连接，所述比例控制器与第三坐标变换装置连接，所述第三坐标变换装置与PWM驱动信号连接，所述PWM驱动信号与逆变桥连接，所述逆变桥分别与直流电源和滤波器连接，所述滤波器分别与负载、第一坐标变换装置和第二坐标变换装置连接，所述负载与PLL锁相环反馈电路与第一坐标变换装置连接，所述第一坐标变换装置与第二坐标变换装置连接；
所述第一坐标变换装置还与第一加法器连接，所述第二坐标变换装置还与第二加法器连接。
2.根据权利要求1所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，根据所述一种双闭环的逆变控制系统建立控制系统模型，所述控制系统模型包括外环比例-积分控制器和内环比例-积分控制器，其中在外环比例-积分控制器中，有：
Gpi(S)＝kp+ki/s
其中kp表示外环比例-积分控制器的比例增益，ki表示外环比例-积分控制器的积分增益系数，s表示平面。
3.根据权利要求2所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，所述内环比例-积分控制器中，有：
Gc(S)＝kc
其中kc表示内环比例-积分控制器的比例增益。
4.根据权利要求1所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，所述逆变桥包括多组逆变装置，所述逆变装置包括一个三极管和一个二极管，其中三极管的发射极与二极管的输入端连接，二极管的输出端与三极管的集电极连接。
5.根据权利要求1所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，所述PWM驱动信号用于生成不同占空比的PWM信号，以驱动逆变桥中各逆变装置完成开断。
6.根据权利要求1所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，所述第一坐标变换装置、第二坐标变换装置和第三坐标变换装置用于将n相电路的状态信号量在自然坐标系下坐标转换为旋转坐标系下坐标。
7.根据权利要求1所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，所述直流电源包括冲击电流抑制电路，所述冲击电流抑制电路包括DC/DC电源模块、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、稳压管V1～V3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R8。
8.根据权利要求7所述的一种双闭环的逆变控制系统，其特征在于，所述DC/DC电源模块输出端连接有电容C1，所述DC/DC电源模块输入端连接有电容C4，其中电容C4一端与电阻R7连接，另一端与电容C3和稳压管V3连接，所述电容C3还与电阻R5串联，所述电阻R5与电阻R4并联，且电阻R4一端依次连接有稳压管V3和电容C2，所述电容C2与稳压管V2串联，所述稳压管V2与电阻R3并联，所述电容C2还分别与稳压管V1和电阻R2并联，且稳压管V1和电阻R2还分别与电阻R1、电阻R3和稳压管V2连接，所述电阻R1还分别与电阻R6和电阻R7连接。
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