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
- 逆變電源無差拍控制
- 逆變電源重復(fù)控制
逆變電源運用先進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%，動態(tài)反映速度提高2～3個數(shù)量級的同時，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，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
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：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)計好了，控制策略就無法改變；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的漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)的漂移。模擬方式很難實現(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，是現(xiàn)代逆變電源研究的一個熱點。
1.2.2傳統(tǒng)逆變電源控制技術(shù)的改進
以前為了改善系統(tǒng)的控制性能，通過模擬、數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，將微處理器與系統(tǒng)相連，在微處理器中實現(xiàn)數(shù)字控制算法，然后通過輸入、輸出口或脈寬調(diào)制口（pulse width modulation, PWM）發(fā)出開關(guān)控制信號。微處理器還能將采集的功率變換裝置工作數(shù)據(jù)，顯示或傳送至計算機保存。一些控制中所用到的參考值可以存儲在微處理器的存儲器中，并對電路進行實時監(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)仍舊要用到運算放大器等模擬控制元件。近年來隨著大規(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。SP能夠?qū)崟r地讀取逆變電源的輸出，并實時地計算出PWM輸出值，使得一些先進的控制策略應(yīng)用于逆變電源控制成為可能，從而可對非線性負載動態(tài)變化時產(chǎn)生的諧波進行動態(tài)補償，將輸出諧波達到可以接受的水平。
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)點在于各種控制策略硬件電路基本是一致的，要實現(xiàn)各種控制策略，無需變動硬件電路，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)運行系統(tǒng)。
2.2逆變電源數(shù)字化發(fā)展存在的難點
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按正弦規(guī)律變化的給定信號，它不同于一般開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號與反饋信號的時間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計帶來了困難?！?br />
b)逆變電源輸出濾波器對系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動幅值和負載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對象的復(fù)雜性，使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。
c)對于數(shù)字式PWM，都存在一個開關(guān)周期的失控區(qū)間，一般是在每個開關(guān)周期的開始或上個周期之末來確定本次脈沖的寬度，即使這時系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個開關(guān)周期對脈沖寬度做出調(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)域的一個熱點，與數(shù)字化相對應(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)簡單、易整定等特點得到了廣泛應(yīng)用。逆變器采用模擬數(shù)字PI控制時，如果只是輸出電壓的瞬時值反饋，其動態(tài)性能和非線性負載時的性能不會令人滿意；如果是輸出濾波電感或輸出濾波電容的電流瞬時值引入反饋，其性能將得到較大改進，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)字信號處理芯片的出現(xiàn)使這個問題得以迅速解決，如今各種補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)試簡單?！ ?br />
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，采樣和計算延時使被控系統(tǒng)成為一個具有純時間滯后的系統(tǒng)，造成PI控制器設(shè)計困難，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有進一步的應(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）最顯著的特點是對參數(shù)變化和外部擾動不敏感，即魯棒性強，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?？刂剖鼓孀兤鬏敵霾ㄐ斡休^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)過載時，滑?？刂破鞯呢摀?dān)將變得非常重。自矯正離散滑?？刂瓶梢越鉀Q這個問題?！ ?/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在負載導(dǎo)致輸出電壓變化時產(chǎn)生控制力，穩(wěn)態(tài)的控制力主要由前饋控制器提供，滑模控制器的切換面（超平面）是根據(jù)優(yōu)化準(zhǔn)則進行設(shè)計的。
3.3無差拍控制
無差拍控制（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)于取樣周期中心對稱的方波脈沖作用時，負載輸出在取樣周期末尾時的值。這個輸出值的大小，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：由于采樣和計算時間的延遲，輸出脈沖的占空比受到很大限制；對于系統(tǒng)參數(shù)的變化反應(yīng)靈敏，如電源電壓波動、負載變動，系統(tǒng)的魯棒性差。
對于采樣和計算延時的影響，一種方法是通過修改輸出脈沖方式的方法來減小計算延時造成的占空比局限；另一種方法是通過狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)狀態(tài)提前進行預(yù)測，用觀測值替代實際值進行控制，從而避免采樣和計算延時對系統(tǒng)的影響。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，一種方法是采用負載電流預(yù)測方法來減小負載變動對電源輸出的影響，但實際改善的程度有限；另一種可行的方法是對系統(tǒng)參數(shù)進行在線辨識，從而實時確定控制器參數(shù)，以達到良好的控制效果。
但是，在線系統(tǒng)辨識的計算復(fù)雜度和存儲量都非常大，一般的微處理器很難在很短的時間內(nèi)完成，因此實現(xiàn)的可能性不大，所以還沒有一種比較好的方法來解決無差拍控制魯棒性差的問題。正是由于無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間重復(fù)出現(xiàn)，控制器根據(jù)給定信號和反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后在下一個基波周期的同一時間將此信號疊加到原控制信號上，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；Ud為電壓擾動信號；P（z）為控制對象；Uo為電壓的實際輸出量。周期延遲環(huán)節(jié)點量（Z－N）對控制器進行超前相位補償，補償器的補償電容量C（z）提供相位補償和幅值補償，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善輸出波形?！ ?/p>
重復(fù)控制使系統(tǒng)獲得了很好的靜態(tài)性能，且易于實現(xiàn)，但該技術(shù)卻不能夠獲得好的動態(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?！ ?br />
模糊控制（fuzzy control）能夠在準(zhǔn)確性和簡潔性之間取得平衡，有效地對復(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:模糊控制器的設(shè)計不需被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,并且有較強的魯棒性和自適應(yīng)性；查找模糊控制表只需占有處理器很少的時間，可采用較高采樣率來補償模糊規(guī)則和實際經(jīng)驗的偏差?！ ?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，可以實現(xiàn)逆變器的模糊控制，整流性負載時，其輸出電壓總諧波失真（total harmonic distortion,TH）小于5％，將模糊控制與無差拍控制相結(jié)合，可用來補償由于非線性負載導(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。它對系統(tǒng)的控制是以人的經(jīng)驗為依據(jù)的，而人的經(jīng)驗正是反映人在思維過程中的判斷、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一步提高?！ ?/p>
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。因為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是建立在強有力的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，所以它有很大的潛力，這個數(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。在無模型自適應(yīng)控制器中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一個重要組成部分。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù)沒有突破，還沒有成功地應(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、耐用性強、適應(yīng)性強等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。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，有其所短。因而各種控制策略相互取長，集成為復(fù)合控制器，將在很大程度上簡化控制，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。
