一種雙閉環控制方法在射頻電源中的仿真應用

湖北工程學院物理與電子信息工程學院 劉 會

一種雙閉環控制方法在射頻電源中的仿真應用

湖北工程學院物理與電子信息工程學院 劉 會

傳統的PID控制技術由于其算法簡單，實現簡易以及可靠性高等優點，能夠對相當大一類的工業對象進行有效控制，特別是可以建立精確數學模型的確定性控制系統。但是，對于非線性、時變不確定的負載，傳統的PID控制方式，難以達到理想的控制效果。本文引入了一種電流，電壓雙閉環反饋控制技術，設計了一種雙閉環控制方式，并用simulink仿真軟件進行了相關仿真。結果表明，逆變器輸出穩定、波形畸變小、對負載有較好的適應性。

逆變器；雙閉環控制

0 引言

UPS、感應電源、交流調速等工業設備都會用到正弦波逆變器，功率源對逆變器輸出波形質量的要求苛刻[1][2][3]。本文在傳統PID控制算法的基礎上，模擬了逆變器控制中的雙環控制算法。包括電壓電流兩種控制，以CO2激光器的射頻電源為研究對象，對單相電壓型的逆變器進行了建模。通過仿真，驗證此種控制策略的合理性以及整個系統的魯棒性。

1 逆變器模型

圖1 逆變器拓撲結構Fig.1 Full-bridge inverter topology

圖1 所示為逆變電路拓撲結構，其中，Vdc是直流輸入電壓，VAB為諧振端電壓，UO為負載電壓，L為輸出電路對應的電感，C為輸出電路對應的電容，r為電路中的等效電阻。直流電壓源Vdc通過功率開關器件周期性的通斷，向負載供電。電壓VAB可以取三個值+，Vdc，0或-Vdc。因此，VAB輸出為正負變化的方波信號。負載端的電流用IO表示。功率器件為開關模式。給定初始條件為Vdc恒定，MOS管為理想器件,逆變全橋視為增益恒定的放大器(基波、諧振頻率較開關頻率低很多)，其線性化模型可以采用狀態空間平均法[4][5]。

2 控制器的設計

本文選取濾波電容電流內環控制系統作為控制的方案[6][7]。這種控制方案的限流保護作用有限。諧振電感的電流必須嚴格限制(對于逆變器的過流保護)，對于內環反饋可以嘗試選擇電感電流IL。但是，這種選擇在抑制IC變化的同時也抑制了輸出電流IO的突變，在抗擾動性方面表現不好[8]。所以本文采用電流內環引入負載電流前饋，并考慮儲能元件的寄生電阻，圖2所示為改進后的的控制系統框圖。

圖2 帶電流前饋的雙環控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of double loop control with feed forward

在圖2所示中Lf為諧振電感，Cf為諧振電容，R為負載，r為等效電阻，Gw(S)為電壓調節器，GN(S)為電流調節器，其中：

3 模型仿真與分析

依據本文的設計方案，在Matlab/Simulink下構建了以圖2為原理的仿真模型，主電路采用單向全橋逆變模型，控制方式采用電壓電流雙環控制。

圖3 阻容性負載輸出波形Fig.6 Waveform of resistive and capacitive load

圖4 突加，突卸負載輸出波形Fig.4 Waveform of suddenly adding and uninstall load

依據系統的特征方程，綜合考慮系統對控制的要求，放電管放電的參數要求，最終確定整個系統仿真參數如下：

（1）直流母線電壓Ud=500V，輸出功率1.5kW，輸出電壓有效值200V，頻率1.8MHz；

（2）開關頻率為2MHz，仿真時間為0.8us；

（3）輸出濾波器參數為：L=4uH，C=3nF；

（4）控制器參數：PI1參數為：KP=1.0，KI=0.24，KD=0， PI2參數為：KP=0.5，KI=0，KD=0。

不同負載情況下的仿真：

（1）阻容性負載：R=15Ω，C=100uF；

（2）突加突卸負載：0-2uS，R=40；2-6uS，R=20；6-8uS，R=40。

由仿真波形可知，在圖3所示中，在阻容性負載的情況下，系統輸出電壓、電流波形都較好，失真度較小。圖4所示為突加、突卸負載情況下的仿真結果，結果顯示0.2s和0.6s處，逆變器輸出經歷了突然由空載到阻性負載以及阻性負載到空載的變化，在這兩個時刻輸出電流進入穩態的時間都較短，同時對應電壓的變化平穩。

[1]李波．高功率軸快流CO2激光器高效穩定放電方法研究[D]．武漢:華中科技大學,2010:22-26．

[2]王兆安,黃俊．電力電子技術[M]．北京:機械工業出版社,2003: 96-99．

[3]陳江輝,謝運祥,陳兵．逆變電路的控制技術與策略[J]．電氣應用,2006,25(9):102-106．

[4]馬學軍．單相電壓型PWM逆變器的數學模型和數字仿真[J]．黃石高等專科學校學報,2004,20(2):1-4．

[5]裴雪軍,段善旭,康勇,等．基于重復控制與瞬時值反饋控制的逆變電源研究[J]．電力電子技術,2002,36(1):12-14．

[6]舒為亮,張昌盛,段善旭,等．逆變電源PI雙環數字控制技術研究[J]．電工電能新技術,2005,24(2):52-54．

[7]郭衛農,陳堅．基于狀態觀測器的逆變器數字雙環控制技術研究[J]．中國電機工程學報,2002,22(9):64-68．

[8]張昌盛,段善旭,康勇．基于電流內環的一種逆變器控制策略研究[J]．電力電子技術,2005,39(3):14-16．

劉會，女，湖北工程學院物理與電子信息工程學院講師。

Application on RF Power Supply’s double loop control algorithm by simulation

Liu Hui
（Hubei engineering university，Xiaogan 432000，China）

Traditional PID control technology due to its simple algorithm，simple and high reliability could effective control most of industrial objects.The traditional PID control method，due to the tedious parameter setting method，is hard to get the desired effect.Hence，double loop control algorithm is a solution.By the way of simulation，the choose of control parameters are tested and verifed.

inverter；double loop control