CN1281289A - 基于调制比逆变器正弦波脉宽调制瞬时值控制方法和装置 - Google Patents

基于调制比逆变器正弦波脉宽调制瞬时值控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法和装置,可对逆变器进行数字控制,以直流量的调制比M作为调节器的控制量,以参考正弦波为给定量,以输出交流电压的瞬时采样值为反馈量,在计算出给定量与反馈量绝对值误差后,进行PID处理获得实时调整调制比M,并将之与标准正弦调制波相乘获得逆变器控制量Vi。采用本发明的逆变器不但有较好的稳态稳压精度和动态恢复能力,而且能改善带整流类非线性负载时的输出电压波形和抗扰动能力。

Description

基于调制比逆变器正弦波脉宽 调制瞬时值控制方法和装置
本发明涉及电源数字控制技术，具体涉及一种基于调制比M的逆变器(即直流／交流变换器，DC／AC变换器)正弦波脉宽调制(SPWM)瞬时值控制方法和装置。
现有的逆变器数字控制方法主要包括有效值调节SPWM(正弦波脉宽调制)和瞬时值调节SPWM两种。有效值调节SPWM的数字控制方法一般通过输出电压的有效值或整流平均值调节来控制调制比M，该调制比M与标准正弦波相乘获得正弦调制波，此调制波再与频率固定的三角载波比较获取逆变桥开关管的驱动脉冲。这里，反馈量可直接由输出交流电压的各瞬时采样值经“均方根”运算获得。一般地，调节器的反馈量和控制量(调制比M)的更新速度为1个或1／2个工频周期(即输出周期)，最高可提高到1／4个工频周期。采用有效值调节SPWM数字控制方法的逆变器，输出电压的稳态稳压精度和稳定性较高，但其动态响应速度不能满足UPS等应用场合对负载突加的动态性能要求和带开关电源类非线性负载下的畸变率(THD)指标。
另一种主要的逆变器数字控制方法是瞬时值调节SPWM控制算法。如图1所示：瞬时值调节SPWM数字控制方法包括以下步骤：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。
理论上，采用瞬时值调节SPWM控制方法的控制装置对给定信号的跟踪能力和对输入电压、负载扰动的抑制能力会很强。但在采用数字方案实现时，由于反馈信号的采样／保持及调节环节等的时滞效应，数字PID调节器的增益及系统的闭环带宽受到了严重的制约。从而导致逆变器输出电压的稳压精度不高(甚至在重负载下输出电压难以达到额定值)，动态恢复时间长，带非线性负载输出电压畸变率(THD)较高，限制了在实际产品中的应用。
本发明的目的在于为逆变器的数字控制提供一种基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法，即瞬时值调节SPWM(正弦波脉宽调制)算法。采用这种数字控制方法的逆变器以及据此制造的UPS、变频器及其它工业电源具有稳态稳压精度高、动态恢复能力强、对给定信号的跟踪能力强以及对扰动信号的抑制能力强优点。
本发明的另一目的在于提供一种采用基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制装置，利用这种控制装置制造的UPS、变频器及其它工业电源具有稳态稳压精度高、动态恢复能力强、给定信号的跟踪能力强以及对扰动信号的抑制能力强优点。
本发明的目的是这样实现的，构造一种基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法，包括以下步骤：计算输出电压误差，PID调节，计算逆变器的控制量，对其中各个步骤说明如下：
1、计算输出电压误差e：将参考正弦波的瞬时采样值和输出信号的瞬时采样值先作绝对值处理，然后将它们的绝对值相减，得出输出电压的绝对值误差e；
2、PID调节：对输出电压的绝对值误差e进行比例-积分-微分调节，其输出量为调制比M；
3、计算逆变器的控制量Vi：将调制比M与标准正弦调制波的瞬时采样值Vr相乘获得逆变器的控制量Vi；
4、用控制量Vi控制逆变器：将控制量Vi作用于逆变器的输入端(即SPWM调制环节)，完成对逆变器的瞬时控制。
本发明的另一个目的是这样实现的，构造一种基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制装置，其特征在于包括：
采样器：用于采样参考正弦波的瞬时值和输出信号的瞬时值，并作绝对值处理；
减法器：用于将所述两个采样器的输出值相减，产生输出电压的绝对值误差；
线性比例-积分-微分(PID)控制器：对所述减法器的输出，即输出电压的绝对值误差，进行线性PID调节，用于实时调整调制比；
乘法器：用于将调制比和标准正弦调制波的瞬时采样值的相乘，产生逆变器的瞬时控制信号。
按照本发明提供的控制装置，其特征在于，所述采样器、减法器、线性比例-积分-微分(PID)器、乘法器的实现可以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调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法和装置，其控制量与有效值调节SPWM算法一样，即通过控制调制比M来对逆变器进行数字控制，而其给定量和反馈量却与瞬时值调节SPWM算法一样，分别为参考正弦波和输出交流电压的瞬时采样值。因此，本发明具有这二种控制方法的优点，同时克服了这二种控制方法的不足。从时域上理解，瞬时值调节SPWM的控制方法可以无限期地累积其直流控制量M，而且能在每个采样周期(通常为开关周期，远小于输出周期)调整该控制量。这样，即使数字PID的积分系数很小，当负载稳定后，其输出总能达到系统所需的调制比，因此具有较好的稳态稳压精度和动态恢复能力。从频域上理解，瞬时值调节SPWM算法在所需跟踪的直流信号频率(0 Hz)点上与瞬时值调节SPWM算法在所需跟踪的工频信号频率(50～60Hz)点上相比，具有大得多的增益，因为PID调节器在低频段的增益衰减率为-20dB／dec。因此该算法对给定信号的跟踪能力会大大增强，同时也提高了系统对扰动信号的抑制能力。
结合附图和实施例，进一步说明本发明的特点。附图中：
图1是传统的逆变器瞬时值调节SPWM控制方法的原理框图；
图2是本发明的基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法和装置的原理框图；
图3是实施本发明的基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法的流程图。
结合图2和图3，本发明提供的基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法，包括以下步骤：计算输出电压误差e，PID调节，计算逆变器的控制量M等。其中：
1、计算输出电压误差e是将参考正弦波(框301)的瞬时采样值和输出信号的瞬时采样值先作绝对值处理(框302、303)，然后将它们的绝对值相减(框304)，得出输出电压的绝对值误差e；
2、PID调节是对输出电压的绝对值误差e进行比例-积分-微分调节(框305)，其输出量为调制比M；
3、计算逆变器的控制量Vi是将调制比M与标准正弦调制波的瞬时采样值Vr相乘获得逆变器的控制量Vi(框306)；
4、用控制量Vi控制逆变器：将控制量Vi作用于逆变器的输入端(即SPWM调制环节)，完成对逆变器的瞬时控制(框307)。
本发明提供的采用基于调节调制比M的瞬时值SPWM算法的逆变器数字控制装置，如图2所示，由采样器1、减法器2、线性比例-积分-微分(PID)控制器3、乘法器4组成。其中，采样器1用于采样参考正弦波的瞬时采样值Vr和输出信号的瞬时采样值Vo，并作绝对值处理；减法器2用于将所述采样器1的两个输出值(|Vr|和|Vo|)相减，产生输出电压的绝对值误差e；线性比例-积分-微分(PID)控制器3用于对所述减法器2的输出即输出电压的绝对值误差进行线性PID控制产生调制比M；乘法器4用于将调制比M和标准正弦调制波的瞬时采样值Vm的相乘，以产生逆变器5的实时控制信号Vi。

Claims (5)

1、一种基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制方法，其特征在于，以直流量的调制比M作为调节器的控制量，以参考正弦波为给定量，以输出交流电压的瞬时采样值为反馈量，所述控制方法包括以下步骤：根据给定量与交流输出反馈量计算其绝对值误差，对计算出的所述绝对值误差进行比例-积分-微分调节快速调整调制比M，将所述调节调制比与标准正弦调制波相乘得到逆变器的控制量Vi。
2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据给定量与交流输出反馈量计算其绝对值误差包括以下步骤：采样参考正弦波的瞬时值Vr和输出信号的瞬时值Vo，并作绝对值处理，然后将它们相减。
3、根据权利要求1所述方法，其特征在于，在对计算出的所述绝对误差进行比例-积分-微分调节获得调制比之前，还可对所述绝对值误差进行相对化处理，即将该绝对值误差除以参考正弦波的绝对值，再针对除后的结果进行比例-积分-微分调节。这种相对化处理能增强调节器的线性度。
4、一种采用基于调制比的逆变器SPWM瞬时值控制装置，其特征在于，包括：
采样器：用于采样参考正弦波的瞬时值Vr和输出信号的瞬时值Vo，并作绝对值处理；
减法器：用于将所述采样器的两个输出值相减，产生输出电压的绝对值误差e；
比例-积分-微分(PID)控制器：对所述减法器的输出即输出电压的绝对值误差e进行线性PID控制，用于产生调制比M；
乘法器：用于将调制比M和标准正弦调制波的瞬时采样值Vm的相乘，产生逆变器的控制信号Vi。
5、根据权利要求4所述控制装置，其特征在于，所述采样器1、减法器2、线性比例-积分-微分(PID)器3、乘法器4可以包含在一个微处理器中。
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