基于雙閉環(huán)自適應整定PI 變頻逆變電源的研究

李寧

（江蘇廣識電氣有限公司，江蘇徐州 221000）

目前，基于變頻器驅(qū)動的異步電機已被廣泛應用到生活及生產(chǎn)之中，變頻器驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)在于對逆變器的控制，逆變電源的控制主要采用PI調(diào)節(jié)器控制，傳統(tǒng)的PI控制具有很多優(yōu)點，但是對于一些現(xiàn)場運行負荷復雜的異步電機驅(qū)動的場合，設(shè)定固定的PI參數(shù)已無法滿足需求。

針對以上問題，本文提出一種基于雙閉環(huán)自適應整定PI算法變頻逆變電源控制方法。

1 系統(tǒng)模型

為簡化研究，本文模型采用單相全橋結(jié)構(gòu)逆變器。如圖1所示，為基于LC濾波的逆變器的主電路圖，逆變電源負載阻值為R。

圖1 單相全橋逆變器圖

可列出逆變器的系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下式：

用以上得到的逆變電源狀態(tài)空間方程，根據(jù)拉普拉斯變換推導可得傳遞函數(shù)模型為：

當單相逆變器空載時，即R=∞時，在連續(xù)域的傳遞函數(shù)為：

通常濾波電感等效內(nèi)阻R非常小，可忽略不計，因此，逆變器可作為無阻尼二階振蕩環(huán)節(jié)的數(shù)學模型來進行研究［1］。

2 雙閉環(huán)變頻逆變電源控制方法

當采用開環(huán)控制，式（2）中，取電感L=1mH、電容C=100μF、內(nèi)阻r=0.05Ω，如圖2所示，當采用開環(huán)控制，隨著負載阻值R的增大，諧振峰值也隨之增大，動態(tài)性能很差，且具有振蕩性，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度很小，諧波被LC濾波器放大從而引起諧振［2］。

圖2 開環(huán)控制系統(tǒng)帶不同負載時的波特圖

如圖3所示，為電感電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 逆變電源雙閉環(huán)控制框圖

空載時，傳遞函數(shù)為：

帶載時，傳函為輸出阻抗：

取相同的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)式（5），雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)bote圖如圖4所示。可以看出諧振尖峰被消除，改善了系統(tǒng)的振蕩問題，增大了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。

圖4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)波特圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖5所示，為變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖。ωs＊為速度調(diào)節(jié)器的輸出信號，同時作為轉(zhuǎn)差頻率給定信號，與實測轉(zhuǎn)速信號ω 做加法運算，得定子頻率給定信號ω1＊，即：

圖5 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

可根據(jù)函數(shù)關(guān)系Us＝f（ω1，Is），通過查表法得到定子電壓給定信號Us＊與定子頻率給定信號ω1＊，共同控制PWM電壓型的逆變器得到調(diào)速所需變壓變頻逆變電源［2］。

3.2 數(shù)字PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器算法設(shè)計

在傳統(tǒng)PI控制中，比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI的作用［3］：當系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)Kp立即作用，快速減少系統(tǒng)偏差。但是當Kp過大，會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用Ki的作用是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用同樣會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且動態(tài)響應速度變慢。

對PI控制算法參數(shù)的整定，需要根據(jù)響應速度、超調(diào)量、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度等指標綜合做出判斷，得出PI參數(shù)與誤差e和誤差變化率ek之間的關(guān)系。連續(xù)檢測e和ek，對PI參數(shù)進行實時動態(tài)調(diào)整，來滿足不同e和ek的自適應整定要求。由此可以得出在不同的e和ek時，Kp、KI的自整定方法如表1所示［4，5］。

表1 控制關(guān)系表

3.3 改進的數(shù)字PI算法程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用的數(shù)字PI算法，重點考慮了對KP、KI參數(shù)的整定，從而使PI控制器能夠在非線性的時變逆變器中得到更好的應用。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速方法，控制算法實現(xiàn)方法采用常規(guī)查表法和自動調(diào)節(jié)方法。本系統(tǒng)采用的數(shù)字PI控制算法對KP、KI的調(diào)節(jié)是首先通過常規(guī)查表法得到大概的參數(shù)值，再通過不斷的自動調(diào)整得到較為準確的參數(shù)值。數(shù)字PI控制算法的程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)字PI算法程序設(shè)計流程圖

4 仿真研究

如圖7所示，建立Matlab/Simulink系統(tǒng)仿真模型。負載擾動是影響逆變電源性能的主要因素，逆變電源負載按是否線性可分為線性負載和非線性負載，線性負載中只含有基波分量，非線性負載中除了基波成分還包含了大量的諧波分量，基波影響逆變器輸出電壓偏差，諧波影響輸出電壓的畸變。

圖7 系統(tǒng)仿真模型

在本系統(tǒng)中，通過改變轉(zhuǎn)矩來改變逆變電源的負載，系統(tǒng)仿真的采樣時間為Ts＝10μs，設(shè)定系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)矩t＝2.5s，由0變?yōu)?4.795N·m，如圖8（a）所示，系統(tǒng)開環(huán)控制，當轉(zhuǎn)矩由0變?yōu)?4.795N·m，轉(zhuǎn)速下降了100r/min；如圖8（b）所示，系統(tǒng)閉環(huán)控制，在t＝2.5s之后，即轉(zhuǎn)矩由0變?yōu)?4.795N·m，又回到了轉(zhuǎn)矩變化之前的轉(zhuǎn)速，滿足系統(tǒng)要求。

圖8 系統(tǒng)在開環(huán)和閉環(huán)控制下的電機轉(zhuǎn)速波形

5 結(jié)論

本文研究了交流變頻調(diào)速技術(shù)，重點對轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速技術(shù)進行了探討，介紹了控制器的相關(guān)控制算法，對控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，采用一種改進型的雙閉環(huán)自適應整定PI控制算法，并對實現(xiàn)方法進行了詳細的描述。對建立的數(shù)字控制系統(tǒng)在Matlab/Simulink中進行了仿真驗證、對影響逆變電源性能的因素進行了仿真分析，仿真實驗結(jié)果證明了變頻逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的可行性，同時表明所選用的控制策略在改善電機調(diào)速性能方面取得了良好的效果。