一種新穎的自適應(yīng)PWM逆變電源

1、    一種新穎的自適應(yīng)PWM逆變電源摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte1引言閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）的逆變電源在各種類型的交流供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，

2、例如：不間斷電源（UPS），電壓調(diào)節(jié)器（AVR），可編程交流電源（PAS）等。在這些系統(tǒng)中，要求能在瞬時或周期性的負(fù)載變動下，輸出低諧波含量的波形。許多研究方案利用瞬時反饋控制技術(shù)，如：瞬時電壓電流跟蹤法1、無差拍控制法23、狀態(tài)反饋控制法4，獲得了較好的動態(tài)響應(yīng)。但是這類方法只能使系統(tǒng)對于瞬時的負(fù)載變化有較好的調(diào)節(jié)能力，而對周期性的負(fù)載變動所產(chǎn)生的周期性諧波抑制能力則很差。因此，這類系統(tǒng)對于非線性負(fù)載，如整流性負(fù)載，其輸出總諧波含量仍然很高。另外，上述幾種瞬時反饋控制的方法，從自身控制原理上講仍存在不足之處，也妨礙了它們的進一步推廣應(yīng)用。其中，瞬時電壓電流跟蹤法，即所謂兩態(tài)（或三態(tài)）滯環(huán)控制

3、（DeltaPWM），電路的開關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開關(guān)頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機分布，輸出頻譜的分析較為困難，也不利于輸出濾波器的設(shè)計5。狀態(tài)反饋控制的設(shè)計基于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，并要求狀態(tài)反饋增益進行優(yōu)化設(shè)計以增加系統(tǒng)的魯棒性，而這兩方面的誤差都可能很大，從而降低了系統(tǒng)的性能。至于無差拍控制，由于其原理是基于電路計算的方法，因而對電路中元件參數(shù)的變化非常敏感，這對于負(fù)載經(jīng)常變動的應(yīng)用場合更不適用。雖然有的文獻也提出了改進的方案，如添加負(fù)載參數(shù)辨識器3，但效果仍然不理想。PWM逆變電源性能的好壞最終取決于控制策略的優(yōu)劣。自適應(yīng)控制作為一種現(xiàn)代控制的方法

4、，適用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知，或者運行過程中會發(fā)生變化的情況，這無疑為解決逆變電源因負(fù)載變化而產(chǎn)生波形畸變的問題提供了一條思路。筆者正在基于DSP和單片機196的硬件基礎(chǔ)上對該種自適應(yīng)逆變電源進行深入的研究，它能自動地消除由于未知的負(fù)載周期性擾動所產(chǎn)生的交流周期畸變，大大提高了電源的品質(zhì)。2工作原理見圖1，在該系統(tǒng)中，將逆變橋、LC濾波器及整流性RC負(fù)載的整體作為系統(tǒng)的控制對象。其中，Ud圖1自適應(yīng)PWM逆變電源硬件結(jié)構(gòu)圖為直流電源電壓，g1，g2，g3，g4為功率管開關(guān)信號，U1，U2分別為電流、電壓反饋信號。該自適應(yīng)控制方案由圖2表示。其中：r(k)參考信號；y(k)系統(tǒng)輸出；e(k)誤差信號

5、；Q(z1)、S(k,z1)輔助補償器；rc(k)經(jīng)補償后的參考信號；P(k,z1)系統(tǒng)受控對象的閉環(huán)傳遞函數(shù)。該控制系統(tǒng)主要包括兩個部分：其一為離散重復(fù)控制器，另一為自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器。它們的工作原理如下：（1）離散重復(fù)控制器重復(fù)控制是指能消除所有包含在穩(wěn)定閉環(huán)內(nèi)的周期性誤差的控制方案，如圖3所示。其中，P（z1）代表被控對象的傳函，d(k)為干擾信號，其余信號的定義與圖2中相同。由圖可得：E(z1)和D(z1)為e(k)，d(k)的Z變換，若d(k)是一個周期為N的擾動，則其Fourier變換為|Cn|代表Fourier系數(shù)而傳函在頻域內(nèi)可表示為若Q(z1)=1且P(z1)是穩(wěn)定的，則|H(

6、j)|=0（=2n/N，n=0，N1）這表明這些周期性誤差能被重復(fù)控制器所消除，在這種情況下就能獲得無誤差的跟隨。但是，這就要求有很強的穩(wěn)定度。在實際應(yīng)用中，可以減弱這一條件，如令：|H(j)|< (j ) （ ="2n" /N， n="0，" .， N 1）這里(j)為周期性誤差的允許范圍。（2）自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器在重復(fù)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器，就構(gòu)成自適應(yīng)重復(fù)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器從本質(zhì)上講是一種算法，它使系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，能根據(jù)實際的系統(tǒng)特性調(diào)整控制參數(shù)，以達到所期望的性能指標(biāo)。在本系統(tǒng)中，自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器利用遞推最小二乘算法

7、（RLSE），實時辨識系統(tǒng)受控對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而依據(jù)期望的性能指標(biāo)對離散重復(fù)控制器的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。如圖2，在本控制方案中，首先構(gòu)成以圖1中信號U1，U2為反饋的閉環(huán)，將該閉環(huán)的傳函記為P(z1)，并近似認(rèn)為其為二階時變結(jié)構(gòu)，即圖2自適應(yīng)重復(fù)控制系統(tǒng)控制框圖式中a1，a2為時變參數(shù)，其控制思想是：首先由自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)器在線地辨識系統(tǒng)受控對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)a1(k)，a2(k)，然后根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)節(jié)輔助補償器S(k,z1)的參數(shù)，以得到適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制規(guī)律，從而使y（k）跟隨r（k）。由于辨識是實時的，就能使系統(tǒng)總能根據(jù)實際的運行條件進行控制，從而可以提高控制的精度，這也就實現(xiàn)了自適應(yīng)的思想。圖3

8、重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3實驗與效果根據(jù)文獻6該方案已在2kVA，輸出100VAC，60Hz的逆變器上得以實現(xiàn)并取得了良好的效果。（1）對于峰值系數(shù)為3的整流性負(fù)載，相同條件下采用狀態(tài)反饋控制，得到輸出電壓THD值為8，而采用自適應(yīng)控制后THD值能在0.2s內(nèi)降低為16；兩種方案下的輸出波形比較如圖4所示。（2）該方案有效地消除了由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化（包括負(fù)載參數(shù)、元器件參數(shù)）而對系統(tǒng)輸出造成的影響。圖4兩種控制方案的輸出波形(a)狀態(tài)反饋控制方案（b)自適應(yīng)控制方案（3）與其它控制方案相比，該方案不但具有較快的誤差收斂速度，而且還確保了系統(tǒng)在大的負(fù)載擾動下的穩(wěn)定性（4）與無差拍控制方法中應(yīng)用的負(fù)載參數(shù)辨識相比，該方案辨識的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即是總體考慮，而不僅僅從局部上著眼，因此更為先進，更利于應(yīng)用。（5）該方案更為有利的是，在設(shè)計時不必知道PWM逆變電源系統(tǒng)確切的數(shù)學(xué)模型，而只需在應(yīng)用中用實時辨識的模型代替。這就提供了一條途徑，使得自適應(yīng)控制方法能直接應(yīng)用于傳統(tǒng)的模擬控制的PWM逆變電源中，進而有效地提高其輸出的質(zhì)量?？偟膩碚f，本文所介紹的這種PWM逆變電源的自適應(yīng)控制方