1引 言

在目前逆變電源的控制技術(shù)中，滯環(huán)控制技術(shù)和SPWM控制技術(shù)是變頻電源中比較常用的兩種控制方法。滯環(huán)控制技術(shù)開關(guān)頻率不固定，濾波器較難設(shè)計，且控制復(fù)雜，難以實現(xiàn);SPWM控制技術(shù)開關(guān)頻率固定，濾波器設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)控制。當(dāng)二者采用電壓電流瞬時值雙閉環(huán)反饋的控制策略時，均能夠輸出高質(zhì)量的正弦波，且系統(tǒng)擁有良好的動態(tài)性能。

對于SPWM變頻電源，采用電壓電流瞬時值雙閉環(huán)反饋的控制策略，工程中參數(shù)設(shè)計往往采用試湊法，工作繁瑣，誤差較大。本文詳細(xì)介紹了SPWM變頻電源主要的控制參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則和方法，對于快捷、準(zhǔn)確地選擇合適的閉環(huán)參數(shù)，有很大的實踐應(yīng)用價值。

2系統(tǒng)簡介

圖1 雙閉環(huán)控制的SPWM變頻電源系統(tǒng)構(gòu)成簡化圖

圖1為系統(tǒng)構(gòu)成簡化圖，該系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成。逆變電源主電路采用以IGBT為開關(guān)器件的單相逆變電路, 采用全橋電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過LC低通濾波器，濾去高頻成分，在濾波電容兩端獲得相應(yīng)頻率的光滑的正弦波。

虛線框包括的是控制電路，電壓電流瞬時值雙閉環(huán)反饋控制是由輸出濾波電感電流和輸出濾波電容電壓反饋構(gòu)成的。其外環(huán)為輸出電壓反饋，電壓調(diào)節(jié)器一般采用PI形式。電壓外環(huán)對輸出電壓的瞬時誤差給出調(diào)節(jié)信號，該信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為內(nèi)環(huán)給定;電感電流反饋構(gòu)成內(nèi)環(huán)，電流環(huán)設(shè)計為電流跟隨器。電流內(nèi)環(huán)由電感電流瞬時值與電流給定比較產(chǎn)生誤差信號，與三角形載波比較后產(chǎn)生SPWM信號，通過驅(qū)動電路來控制功率器件，保證輸出電壓的穩(wěn)定，形成典型的雙環(huán)控制。

在實際應(yīng)用中采用電流內(nèi)環(huán)之外還設(shè)置電壓外環(huán)的目的除了降低輸出電壓的THD外，還在于對不同負(fù)載實現(xiàn)給定電流幅值的自動控制。

3SPWM變頻電源的線性化模型

由于SPWM變頻電源中存在著開關(guān)器件，因此是一個非線性系統(tǒng)，但因為一般情況下，SPWM變頻電源的開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制頻率，故可以利用傳遞函數(shù)和線性化技術(shù)，建立起SPWM變頻電源的線性化模型[1]，如圖2所示。圖中，脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)由脈寬信號產(chǎn)生環(huán)節(jié)和功率電路環(huán)節(jié)組成，一般可以等效為一個線性比例環(huán)節(jié)，用K表示，其輸入為正弦控制電壓，輸出是等效的正弦調(diào)制電壓。輸出濾波環(huán)節(jié)由濾波電感Lf和電容Cf組成，為分析方便，取負(fù)載為阻性負(fù)載。電流環(huán)的反饋取自輸出濾波電感的電流，為此濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可改寫為兩個環(huán)節(jié)的串聯(lián),以UAB(S)為輸入, Ilf(S)為輸出及以Ilf(S)為輸入，Uo(S)為輸出，求出相應(yīng)的傳遞函數(shù)如圖2中傳遞函數(shù)1和傳遞函數(shù)2。

|<1234>>

圖2 SPWM變頻電源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

4閉環(huán)設(shè)計

電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種多環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計多環(huán)系統(tǒng)的一般方法是：從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴大，一環(huán)一環(huán)地進(jìn)行設(shè)計。先從電流環(huán)入手，設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把電流環(huán)看作是電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計電壓環(huán)，因此首行電流環(huán)的設(shè)計實現(xiàn)[2]。相應(yīng)的性能指標(biāo)為輸出功率500VA，功率管開關(guān)頻率25K，頻率變化范圍15～1000Hz，輸出電壓為220VAC。濾波器參數(shù)Lf為1.6mH，Cf為2u。

4.1電流環(huán)的設(shè)計

從圖2中，可得未加補償校正環(huán)節(jié)的電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)：

           (1)

圖3(a)為校正前電流環(huán)開環(huán)在空載、感性載(=0.75)、滿載下的幅相曲線[3]。從圖中可以看出，開環(huán)頻率特性的相移小于90，因此理論上電流閉環(huán)對任何的開環(huán)增益都是穩(wěn)定的。電流環(huán)的設(shè)計必須保證電流閉環(huán)具有較好的穩(wěn)定性，同時具有較快的動態(tài)響應(yīng)和抗噪聲干擾能力。

(a)校正前電流環(huán)開環(huán)幅相曲線

(b)校正后電流閉環(huán)幅相曲線

圖3 校正前后不同負(fù)載時電流環(huán)幅相曲線

34>>

加了補償環(huán)節(jié)后，電流閉環(huán)的傳遞函數(shù)：

        (2)

其中，Kif為電流環(huán)反饋系數(shù)，根據(jù)輸出電壓和功率確定這兒取為0.01。圖4為不同的Kip值下電流內(nèi)環(huán)的幅相曲線，能夠看出增大前向通道的調(diào)節(jié)器增益Kip可以擴大帶寬范圍，但會導(dǎo)致系統(tǒng)的抗噪聲干擾能力下降，使得電流內(nèi)環(huán)的增益值變大，同時也會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不利于電壓環(huán)設(shè)計，所以調(diào)節(jié)器增益也應(yīng)適當(dāng)選取，滿足所需的帶寬要求即可，可選擇Kip=6。

圖4 不同的Kip值下電流閉環(huán)幅相曲線

圖3(b)給出了Kip=6時,不同負(fù)載的電流閉環(huán)幅相曲線，從仿真曲線可以看出電流內(nèi)環(huán)具有帶通濾波器的特性，且除空載具有更寬的帶寬外帶寬基本不受負(fù)載變化的影響。

4.2 電壓環(huán)的設(shè)計

由圖2，可得未加電壓調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)的等效開環(huán)傳遞函數(shù)：

其不同負(fù)載下系統(tǒng)的幅相曲線如圖5(a)所示,可以看出，系統(tǒng)低頻增益很小，輸出穩(wěn)態(tài)誤差很大，高頻衰減不快，因而需要加入適當(dāng)?shù)难a償環(huán)節(jié)加以校正，通常可采用PI控制器作為電壓調(diào)節(jié)器。電壓環(huán)設(shè)計希望校正后系統(tǒng)低頻增益盡可能高，以盡量減小輸出正弦電壓的穩(wěn)態(tài)誤差;同時也希望盡可能消除高頻分量的影響，其高頻衰減盡可能快，且系統(tǒng)還需具備適當(dāng)?shù)南嘟窃６龋刂诡l率c足夠大，可以保證較快的動態(tài)響應(yīng)[4]。

34>>

加了PI控制器的系統(tǒng)等效開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(4)

其中，Kvf為電壓環(huán)反饋系數(shù)，由輸出電壓與給定電壓之間的對應(yīng)關(guān)系求得，這兒取0.036。圖6(a)是積分參數(shù)固定時，比例參數(shù)變化時相應(yīng)的幅相曲線;圖6(b)為比例參數(shù)固定時，積分參數(shù)變化時相應(yīng)的幅相曲線。從6(a)中可以看出在積分參數(shù)一定的情況下，改變比例參數(shù)，相頻曲線保持恒定，而幅頻曲線則隨著Kp的變化而變化，當(dāng)Kp增加時，低頻增益變大(穩(wěn)態(tài)誤差變小)，截止頻率增加即響應(yīng)速度變快。截止頻率c要合理選擇：因為c太小，系統(tǒng)響應(yīng)速度太慢;c太大，則系統(tǒng)穩(wěn)定性就差，一般需滿足下式：

(5)

式中，fc為開關(guān)頻率。根據(jù)輸出頻率的變化范圍頻率輸出是1K，開關(guān)頻率是25K，根據(jù)式(5)可選定曲線2為優(yōu)曲線。

從圖6(b)可以看出積分常數(shù)Ti改變時，對截止頻率和低頻增益影響很小，而對相頻特性影響則很大，從而影響穩(wěn)定裕度。工程上要求穩(wěn)定裕度取在45o左右，過低于此值，系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，且對參數(shù)變化的適應(yīng)能力較弱;過高于此值，意味著對整個系統(tǒng)及組成部件要求較高，因此造成實現(xiàn)上的困難，所以選擇曲線2為優(yōu)曲線，即Ti=40us。綜合上述分析，可以選定合適的比例常數(shù)、積分常數(shù)。

圖5(b)是所選定的PI調(diào)節(jié)器在不同負(fù)載下系統(tǒng)的幅相曲線。可以看出空載到滿載的低頻增益都較大，說明穩(wěn)壓精度較高;相角裕度為

，從空載到滿載只有較小的變化，整個負(fù)載范圍內(nèi)在穩(wěn)定性上滿足理論上和工程上的要求;本系統(tǒng)的截止頻率約為開關(guān)頻率的1/4.25倍，滿足截止頻率的一般要求;同時低頻增益較未加校正前也有提高即系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大大減小。可見系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性都基本滿足要求。

5實驗結(jié)果和結(jié)論

本文對電壓、電流雙閉環(huán)瞬時值控制的SPWM變頻電源設(shè)計和研制了一套實驗樣機，并進(jìn)行了原理性實驗，其測試數(shù)據(jù)和設(shè)計值基本相符。實測的電流，電壓波形如圖7所示。

綜合以上實驗波形可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了輸出頻率的可調(diào)性，且在整個頻率范圍內(nèi)保證了很好的電壓輸出波形和穩(wěn)壓精度，可以看出變頻輸出波形光滑，波形失真度低，頻率輸出范圍寬。

通過以上的討論，并根據(jù)測試結(jié)果表明，通過上述方法和規(guī)則設(shè)計的控制參數(shù)是可行的，可使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)輸出特性。且設(shè)計簡單、快捷、實用、的減少了工作量。

34