中心議題：
- 逆變電源數(shù)字控制技術(shù)導(dǎo)的發(fā)展及現(xiàn)狀
- 逆變電源數(shù)字化控制技術(shù)
解決方案：
- 逆變電源數(shù)字PI控制
- 逆變電源滑模變控制
- 逆變電源無(wú)差拍控制
- 逆變電源重復(fù)控制
逆變電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，使傳統(tǒng)的工頻整流電源的材料約減少80%～90%,節(jié)能20%～30%，動(dòng)態(tài)反映速度提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)，朝高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展，為此，詳細(xì)分析逆變電源數(shù)字控制技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，介紹逆變電源數(shù)字化控制的幾種控制策略。
1逆變電源數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展
1.1高性能逆變電源與數(shù)字控制技術(shù)
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)逆變電源的網(wǎng)絡(luò)功能提出了更高的要求，高性能的逆變電源必須滿足：高輸入功率因數(shù)，低輸出阻抗；暫態(tài)響應(yīng)快速，穩(wěn)態(tài)精度高；穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；電磁干擾低；網(wǎng)絡(luò)功能完善。要實(shí)現(xiàn)這些功能，離不開數(shù)字控制技術(shù)。
1.2傳統(tǒng)逆變電源控制技術(shù)
1.2.1傳統(tǒng)逆變電源控制技術(shù)的缺點(diǎn)
傳統(tǒng)的逆變電源多為模擬控制或者模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)。雖然模擬控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但其存在很多固有的缺點(diǎn)：控制電路的元器件比較多，電路復(fù)雜，所占的體積較大；靈活性不夠，硬件電路設(shè)計(jì)好了，控制策略就無(wú)法改變；調(diào)試不方便，由于所采用器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點(diǎn)的漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)的漂移。模擬方式很難實(shí)現(xiàn)逆變電源的并聯(lián)，所以逆變電源數(shù)字化控制是發(fā)展的趨勢(shì)，是現(xiàn)代逆變電源研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
1.2.2傳統(tǒng)逆變電源控制技術(shù)的改進(jìn)
以前為了改善系統(tǒng)的控制性能，通過(guò)模擬、數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，將微處理器與系統(tǒng)相連，在微處理器中實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制算法，然后通過(guò)輸入、輸出口或脈寬調(diào)制口（pulse width modulation, PWM）發(fā)出開關(guān)控制信號(hào)。微處理器還能將采集的功率變換裝置工作數(shù)據(jù)，顯示或傳送至計(jì)算機(jī)保存。一些控制中所用到的參考值可以存儲(chǔ)在微處理器的存儲(chǔ)器中，并對(duì)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
微處理器的使用在很大程度上提高了電路系統(tǒng)的性能，但由于微處理器運(yùn)算速度的限制，在許多情況下，這種微處理器輔助的電路控制系統(tǒng)仍舊要用到運(yùn)算放大器等模擬控制元件。近年來(lái)隨著大規(guī)模集成電路、現(xiàn)代可編程邏輯器件及數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,SP)技術(shù)的發(fā)展，使逆變電源的全數(shù)字控制成為現(xiàn)實(shí)。SP能夠?qū)崟r(shí)地讀取逆變電源的輸出，并實(shí)時(shí)地計(jì)算出PWM輸出值，使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于逆變電源控制成為可能，從而可對(duì)非線性負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，將輸出諧波達(dá)到可以接受的水平。
2逆變電源數(shù)字化控制技術(shù)的現(xiàn)狀
2.1逆變電源控制技術(shù)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化
隨著電機(jī)控制專用SP的出現(xiàn)及其控制理論的普遍發(fā)展，逆變電源控制技術(shù)朝著全數(shù)字化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，逆變電源的數(shù)字控制技術(shù)發(fā)生了一次大飛躍。逆變電源數(shù)字化控制的優(yōu)點(diǎn)在于各種控制策略硬件電路基本是一致的，要實(shí)現(xiàn)各種控制策略，無(wú)需變動(dòng)硬件電路，只需修改軟件即可，大大縮短了開發(fā)周期，而且可以應(yīng)用一些新型的復(fù)雜控制策略，各電源之間的一致性很好，這樣為逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)，而且易組成可靠性高的大規(guī)模逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。
2.2逆變電源數(shù)字化發(fā)展存在的難點(diǎn)
數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決以下一些難題：
a)逆變電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)，它不同于一般開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難?！?br />
b)逆變電源輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅值和負(fù)載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對(duì)象的復(fù)雜性，使得控制對(duì)象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加?！ ?br />
c)對(duì)于數(shù)字式PWM，都存在一個(gè)開關(guān)周期的失控區(qū)間，一般是在每個(gè)開關(guān)周期的開始或上個(gè)周期之末來(lái)確定本次脈沖的寬度，即使這時(shí)系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個(gè)開關(guān)周期對(duì)脈沖寬度做出調(diào)整，所以現(xiàn)在逆變電源的數(shù)字化控制引起了廣泛的關(guān)注。
3逆變電源數(shù)字化控制技術(shù)
逆變電源數(shù)字控制方法成為當(dāng)今電源研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，與數(shù)字化相對(duì)應(yīng)，各種各樣的離散控制方法也紛紛涌現(xiàn)，包括數(shù)字比例-積分-微分（PI）調(diào)節(jié)器控制、無(wú)差拍控制、數(shù)字滑變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制以及各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，從而有力地推動(dòng)逆變電源控制技術(shù)的發(fā)展。
3.1數(shù)字PI控制
數(shù)字PI控制以參數(shù)簡(jiǎn)單、易整定等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。逆變器采用模擬數(shù)字PI控制時(shí)，如果只是輸出電壓的瞬時(shí)值反饋，其動(dòng)態(tài)性能和非線性負(fù)載時(shí)的性能不會(huì)令人滿意；如果是輸出濾波電感或輸出濾波電容的電流瞬時(shí)值引入反饋，其性能將得到較大改進(jìn)，然而，龐大的模擬控制電路使控制系統(tǒng)的可靠性下降，調(diào)試復(fù)雜，不易于整定。數(shù)字信號(hào)處理芯片的出現(xiàn)使這個(gè)問(wèn)題得以迅速解決，如今各種補(bǔ)償措施及控制方式可以很方便地應(yīng)用于逆變電源的數(shù)字PI控制中，控制器參數(shù)修改方便，調(diào)試簡(jiǎn)單。
但是，數(shù)字PI控制算法應(yīng)用到逆變電源的控制中，不可避免地產(chǎn)生了一些局限性：一方面是系統(tǒng)的采樣量化誤差，降低了算法的分辨率，使得PI調(diào)節(jié)器的精度變差；另一方面，采樣和計(jì)算延時(shí)使被控系統(tǒng)成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統(tǒng)，造成PI控制器設(shè)計(jì)困難，穩(wěn)定性減小，隨著高速SP及高速A/的發(fā)展，數(shù)字PI控制技術(shù)在逆變電源的控制中會(huì)有進(jìn)一步的應(yīng)用。
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3.2滑模變結(jié)構(gòu)控制
滑模變結(jié)構(gòu)控制（slidingmode variable structure control，SVSC）最顯著的特點(diǎn)是對(duì)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)不敏感，即魯棒性強(qiáng)，加上其固有的開關(guān)特性，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換器?！ ?br />
基于微處理器的離散滑模控制使逆變器輸出波形有較好的暫態(tài)響應(yīng)，但系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能不是很理想。具有前饋控制的離散滑?？刂葡到y(tǒng)，暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度得到提高(見圖1)，但如果系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，滑模控制器的負(fù)擔(dān)將變得非常重。自矯正離散滑模控制可以解決這個(gè)問(wèn)題?！ ?/p>
逆變器的控制器由參數(shù)自適應(yīng)的線性前饋控制器和非線性滑?？刂破鹘M成（見圖2），滑?？刂破鲀H在負(fù)載導(dǎo)致輸出電壓變化時(shí)產(chǎn)生控制力，穩(wěn)態(tài)的控制力主要由前饋控制器提供，滑?？刂破鞯那袚Q面（超平面）是根據(jù)優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
3.3無(wú)差拍控制
無(wú)差拍控制（deadbeat control）是一種基于電路方程的控制方式，其控制的基本思想是將輸出正弦參考波等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期，根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，用電路理論算出關(guān)于取樣周期中心對(duì)稱的方波脈沖作用時(shí)，負(fù)載輸出在取樣周期末尾時(shí)的值。這個(gè)輸出值的大小，與方波脈沖的極性與寬度有關(guān)，適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度，就能使負(fù)載上的輸出在取樣周期的末后與輸出參考波形相重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能在負(fù)載上獲得諧波失真小的輸出。因此，即使在很低的開關(guān)頻率下，無(wú)差拍控制也能夠保證輸出波形的質(zhì)量，這是其它控制方法所不能做到的,但是，其也有局限性：由于采樣和計(jì)算時(shí)間的延遲，輸出脈沖的占空比受到很大限制；對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的變化反應(yīng)靈敏，如電源電壓波動(dòng)、負(fù)載變動(dòng)，系統(tǒng)的魯棒性差。
對(duì)于采樣和計(jì)算延時(shí)的影響，一種方法是通過(guò)修改輸出脈沖方式的方法來(lái)減小計(jì)算延時(shí)造成的占空比局限；另一種方法是通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)提前進(jìn)行預(yù)測(cè)，用觀測(cè)值替代實(shí)際值進(jìn)行控制，從而避免采樣和計(jì)算延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，一種方法是采用負(fù)載電流預(yù)測(cè)方法來(lái)減小負(fù)載變動(dòng)對(duì)電源輸出的影響，但實(shí)際改善的程度有限；另一種可行的方法是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，從而實(shí)時(shí)確定控制器參數(shù)，以達(dá)到良好的控制效果。
但是，在線系統(tǒng)辨識(shí)的計(jì)算復(fù)雜度和存儲(chǔ)量都非常大，一般的微處理器很難在很短的時(shí)間內(nèi)完成，因此實(shí)現(xiàn)的可能性不大，所以還沒(méi)有一種比較好的方法來(lái)解決無(wú)差拍控制魯棒性差的問(wèn)題。正是由于無(wú)差拍控制在電源控制中的不足及局限性到目前還難以解決，使得無(wú)差拍控制在工業(yè)界的應(yīng)用還有待不斷的深入研究。
3.4重復(fù)控制
逆變器采用重復(fù)控制（repetitive control）是為了克服整流型非線性負(fù)載引起的輸出波形周期性的畸變，它通常與其他PWM控制方式相結(jié)合。重復(fù)控制的思想是假定前一周期出現(xiàn)的基波波形將在下一基波周期的同一時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)，控制器根據(jù)給定信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差來(lái)確定所需的校正信號(hào)，然后在下一個(gè)基波周期的同一時(shí)間將此信號(hào)疊加到原控制信號(hào)上，以消除后面各周期中將出現(xiàn)的重復(fù)畸變?！ ?br />
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重復(fù)控制系統(tǒng)如圖3(a),(b)所示。圖3中Ur為給定電壓信號(hào)；Ud為電壓擾動(dòng)信號(hào)；P（z）為控制對(duì)象；Uo為電壓的實(shí)際輸出量。周期延遲環(huán)節(jié)點(diǎn)量（Z－N）對(duì)控制器進(jìn)行超前相位補(bǔ)償，補(bǔ)償器的補(bǔ)償電容量C（z）提供相位補(bǔ)償和幅值補(bǔ)償，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善輸出波形。
重復(fù)控制使系統(tǒng)獲得了很好的靜態(tài)性能，且易于實(shí)現(xiàn)，但該技術(shù)卻不能夠獲得好的動(dòng)態(tài)性能。自適應(yīng)重復(fù)控制方案成功地應(yīng)用于逆變器的控制中。
模糊控制（fuzzy control）能夠在準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)潔性之間取得平衡，有效地對(duì)復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)做出判斷和處理。將模糊控制應(yīng)用于逆變器，具有如下優(yōu)點(diǎn):模糊控制器的設(shè)計(jì)不需被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,并且有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性；查找模糊控制表只需占有處理器很少的時(shí)間，可采用較高采樣率來(lái)補(bǔ)償模糊規(guī)則和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的偏差?！ ?br />
將輸出電壓和濾波電感電流反饋，即電壓誤差和電感電流作為輸入模糊變量，可以實(shí)現(xiàn)逆變器的模糊控制，整流性負(fù)載時(shí)，其輸出電壓總諧波失真（total harmonic distortion,TH）小于5％，將模糊控制與無(wú)差拍控制相結(jié)合，可用來(lái)補(bǔ)償由于非線性負(fù)載導(dǎo)致的電壓降落，其系統(tǒng)如圖4所示。模糊控制從模仿人的思維外特性入手，模仿人的模糊信息處理能力。它對(duì)系統(tǒng)的控制是以人的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的，而人的經(jīng)驗(yàn)正是反映人在思維過(guò)程中的判斷、推理、歸納。理論上已經(jīng)證明，模糊控制可以任意精度逼近任何線性函數(shù)，但受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規(guī)則都受到一定的限制，隸屬函數(shù)的確定還沒(méi)有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，帶有一定的人為因素，因此，模糊控制的精度有待于進(jìn)一步提高。
此外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。因?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)是建立在強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，所以它有很大的潛力，這個(gè)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)包括各種各樣的已被充分理解的數(shù)學(xué)工具。在無(wú)模型自適應(yīng)控制器中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)重要組成部分。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)沒(méi)有突破，還沒(méi)有成功地應(yīng)用于逆變電源的控制中。
結(jié)論
基于微處理器、SP的數(shù)字控制技術(shù)重復(fù)性強(qiáng)、耐用性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，還會(huì)有更多、更適合逆變電源控制的智能控制策略。逆變電源的各種控制策略有其所長(zhǎng)，有其所短。因而各種控制策略相互取長(zhǎng)，集成為復(fù)合控制器，將在很大程度上簡(jiǎn)化控制，提高可靠性，使控制日臻完美，更好地滿足逆變電源的控制要求。
