基于状态观测器的逆变器数字双环控制研究

摘要

随着重要部门、用电设备对高品质的电源和电能质量的需求日益增多,高性能PWM逆变器的研究受到越来越多的关注,数字控制以其诸多的优点正逐步取代模拟控制。PWM逆变电源的数字控制可以实现复杂、智能的数字算法来提高逆变器的性能,然而传统控制方案在数字控制中性能却不如模拟控制,限制了数字控制逆变电源性能的进一步提高,这是由于数字控制有其固有的缺点,如:采样、计算延时造成最大占空比受限。解决最大占空比受限的问题,可以采用滞后一拍控制,但是滞后一拍控制带来控制的延时问题,不利于闭环系统的稳定,限制控制参数允许变化的范围,从而限制闭环控制系统的性能。故本文提出基于状态观测器的数字双环控制,希望能发挥数字控制的优点,提高逆变器性能。
　　本文采用带负载电流前馈补偿的电感电流内环电压外环的双环控制,基于极点配置方法,完成双环控制器参数的设计。大量的仿真表明电压外环电流内环的双环PID/P数字控制具有良好的稳态、动态响应,以及非线性负载情况下输出电压的总谐波畸变率(THD)低。
　　在数字控制中,为了克服数字处理器采样、计算延时造成的最大占空比受限问题,引入了状态观测器和扰动观测器。状态观测器的输出受多种因素的影响,重点分析了观测器的输入电压误差和截断误差的影响。为减小观测器的输入电压误差的影响,加入了重复补偿。仿真分析和实验结果均证明带重复补偿的状态观测器能提高观测精度。
　　最后,基于理论分析和计算,在一台样机上进行带观测器的逆变器数字双环控制实验,实验结果表明该控制系统具有较好的稳态性能、较快的动态响应以及非线性负载抗扰动能力。

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1 绪 论

1.1 逆变器概述

1.2 数字控制SPWM逆变器的性能指标要求

1.3 PWM逆变器数字控制技术现状

1.4 本文主要研究内容

2 单相电压型PWM逆变器建模与性能分析

2.1 引言

2.2 逆变器主电路结构

2.3 单极倍频SPWM控制

2.4 单相电压型PWM逆变器的数学模型

2.5 逆变器波形畸变的原因

2.6 本章小结

3 单相逆变器双环控制技术研究

3.1 引言

3.2 单相逆变器的双环控制

3.3 基于极点配置的双环数字控制器设计

3.4 设计实例和仿真分析

3.5 本章小结

4 预测观测器的设计

4.1 引言

4.2 观测器的设计

4.3 状态观测器输出误差的分析与控制

4.4 状态观测器观测误差的控制

4.5 基于观测器的单相逆变器数字双环控制仿真

4.6 本章小结

5 实验结果分析

5.1 硬件平台介绍

5.2 软件设计流程图介绍

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 全文总结

6.1 本文的研究内容

6.2 展望的工作

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目