1.3 逆变器控制技术

1.3.1 电流型控制技术

逆变器（DC/AC变换器）由于是交流输出，其控制较DC/DC变换器复杂得多，早期采用开关点预置的开环控制方式，近年来瞬时反馈控制方式被广泛研究，多种各具特色的实现方案被提出，其中三态DPM（离散脉冲调制）电流滞环跟踪控制方式性能优良，易于实现。

1.逆变器的控制方法

逆变器的控制方法主要有经典控制理论的控制策略和现代控制理论的控制策略两种。

1）经典控制理论的控制策略

（1）电压均值反馈控制。电压均值反馈控制采用给定一个电压均值与反馈采样输出电压的均值相减得到一个误差，再对误差进行PI调节，去控制输出。电压均值反馈控制是一个恒值调节系统，优点是输出可以达到无净差，缺点是快速性不好。

（2）电压单闭环瞬时值反馈控制。电压单闭环瞬时值反馈控制采用给定的电压瞬时值与输出电压反馈的瞬时值相减得到一个误差，再对误差进行PI调节，去控制输出。它是一个随动调节系统，由于积分环节存在相位滞后，系统不可能达到无净差，所以这种控制方法的稳态误差比较大，但快速性比较好。

（3）电压单闭环瞬时值和电压均值相结合的控制方法。由于电压瞬时值单闭环控制系统的稳态误差比较大，而电压均值反馈误差比较小，因此可以在PI控制的基础上再增设一个均值电压反馈系统，以提高系统的稳态误差。

（4）电压电流双闭环瞬时控制。电压单闭环控制在抵抗负载扰动方面的缺点与直流电动机的转速单闭环控制比较相似，具体表现在只有当负载（电流、转矩）扰动的影响最终在系统输出端（电压、转速）表现出来后，控制器才开始有反应，基于这一点，可以在电压外环基础上加一个电流内环，利用电流内环快速及时的抗扰性来抑制负载波动的影响，同时由于电流内环对被控对象的作用，使得电压外环调节可以大大地简化。

2）现代控制理论的控制策略

（1）多变量状态反馈控制。多变量状态反馈控制的优点在于可以改善系统的动态品质，因为它可以任意地配置系统的极点。但是在建立逆变器的状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内，所以，状态反馈只能针对空载或假定负载进行，对此应采用负载电流前馈补偿，预先进行鲁棒性分析，才能使系统有好的稳态性能和动态性能。

（2）无差拍控制。无差拍控制是指将给定的正弦参考波形间隔划分成若干个周期，然后根据每个采样周期的起始值，来采用预测算法计算出在采样结束时负载应输出的值，通过合理计算这个值的大小使系统输出在采样周期结束时与参考波形完全重合，没有任何相位和幅值偏差。

（3）滑模变结构控制。滑模变结构控制是一种非线性的控制方法，它是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着某一设计好的滑模面运动。滑模变结构控制的优点是对系统参数变化和外部扰动不敏感，具有较强的鲁棒性。然而，对逆变电源系统来说，要确定一个理想的滑模面是很困难的，并且在用数字式方法来实现这种控制方式时，开关频率必须足够高。

（4）模糊控制。模糊控制属于智能控制的范畴，与传统的控制方式相比，智能控制最大的优点是不依赖于系统的数学模型，它是控制理论发展的高级阶段，主要用来处理那些对象不确定，高度非线性的问题。

（5）重复控制。重复控制是根据内膜原理，对指令和扰动信号均设了一个内膜，因此可以达到输出无净差，但它的动态响应比较慢，且需要比较大的内存。

2.正弦脉宽调制（PWM）技术

在采样控制理论中有一个重要结论是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对开关管的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。

如果把一个正弦半波分成N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积，用与它等面积的等高而不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，根据冲量相等，效果相同的原理，这样的一系列的矩形脉冲与正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周也可以用同样的方法得到PWM波形。像这样的脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形就是SPWM波。

SPWM有单极式和双极式两种控制方式，而两种控制方式的调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率来控制的，只是开关管通/断的情况不一样。在采用单极式控制时，正弦波的半个周期内每相只有一个开关管开通或关断，而采用双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关管交替通断，属于互补工作方式，所以双极式比单极式调制输出的电流变化率较大，外界干扰较强。

单相桥式SPWM逆变器在采用单极式倍频调制方式时输出的SPWM波形，如图1-14所示。它是采用两个相位相反的而幅值相等的三角波与一正弦波相比较，可看成将三角载波进行全波整流（将虚线三角波沿X轴往上翻）后，再由正弦波进行调制，得到了两个二阶SPWM波，然后将两个二阶SPWM波相减，就可得到三阶SPWM波，即在调制波正半周，三阶SPWM波主要由Ug1和Ug 3相减得到，在调制波的负半周，三阶SPWM波主要由Ug 2和Ug 4相减得到。

3.三态离散脉冲调制（Discrete Pulse Modulation，DPM）电流滞环跟踪控制方式

三态离散脉冲调制电流滞环跟踪控制方式如图1-15所示。其基本工作原理是：检测滤波

电感电流IL，并产生电流反馈信号IF。电流反馈信号IF与给定电流IG相比较，根据两个电流瞬时值之差来决定单相逆变桥的4个开关在下一个开关周期中的导通情况：

（1）+1状态，在IG-IF＞h时（h为电流滞环宽度），VT1、VT4导通，UAB = +E；

（2）-1状态，在IG-IF＜-h时，VT2、VT3导通，UAB = -E；

（3）0状态，在|IG-IF|=h时，VT1、VT3或VT2、VT4导通，UAB=0。

两个D触发器使VT1～VT4的开关状态变化只能发生在周期性脉冲信号CLK（频率2f）的上升沿，也就是说开关点在时间轴上是离散的，且最高开关频率为f。

仿真和实验表明，IL在正半周时，逆变器基本上在+1和0状态间切换，而IL在负半周时，逆变器基本上在-1和0状态间切换，只有Uo过零点附近才有少量的+1和-1之间的状态跳变，从而使输出脉动减小。

4.电流型准PWM控制方式

综合常规PWM单、双极性工作方式的优缺点，并借鉴滞环控制技术，得到改进的电流型准PWM控制电路如图1-16所示。S3、S4基本上以低频互补方式工作，而S1、S2以高频互补方式工作。其基本工作原理如下：

IG在正半周时，即IG ＞0时，比较器CMP1输出高电平，S3一直关断。时钟信号CLK的上升沿将触发器RS1置1，将S1、S4导通，S2关断，UAB为+E，IL按式（1-23）上升为

当IL升至IF ＞IG时，RS1翻转，将S1关断、S2导通，UAB为0，IL按式（1-24）变化为

若Uo＞0时，则IL下降，至开关周期结束；而若Uo＜ 0时，IL则继续上升，此时可能出现3种情况：

（1）IF上升率小于IG，则IF相对于IG下降至开关周期结束。

（2）IF上升率略大于IG，开关周期结束时IF大于IG而小于IG+h，则下一个开关周期仍保持该状态（UAB为0）。

（3）若IF升至IG+h，则CMP3翻转为1，将RS3清零，S4关断，负载通过VD2、VD3续流，UAB为-E，IL按式（1-25）下降至开关周期结束。但IF的峰值不大于IG+h，即

IG在负半周时，即IG比较器CMP1输出低电平，S4一直关断。时钟信号CLK的上升沿将触发器RS2清零，S2、S3导通，S1关断，UAB为-E，IL按式（1-23）下降。

当IL降至IF时，RS2翻转，S2关断、S1导通，UAB为0，IL按式（1-24）变化：若Uo＜0时，则IL上升至开关周期结束；而若Uo＞0时，则IL继续下降，此时也可能出现3种情况：

（1）IF下降率小于IG，则IF相对于IG上升至开关周期结束。

（2）IF下降率略大于IG，开关周期结束时IF小于IG而大于IG-h，则下一个开关周期仍保持该状态（UAB为0）。

（3）若IF降至IG-h，则CMP4翻转为1，将RS3清零，S3关断，负载通过VD1、VD4续流，UAB为+E，IL按式（1-25）上升至开关周期结束。|IF|的峰值不大于|IG-h|，即|IG|+h。

可见，这也是一种三态工作方式：IL与Uo同相时，逆变器工作在PWM方式，在1状态和0状态（或-1状态和0状态）间转换；而两者反相时，滞环才起作用，它使逆变器在1、0和-1三种状态间转换。

三态DPM电流滞环跟踪控制方式实现简单，开关损耗较低，失真较小。电流型准PWM控制方式可以获得较好的动态性能，特别是系统的稳定性及较小的输出电压降落，它适于调制频率较低或逆变器输出滤波电感L、电容C较小的情况。而在调制频率较高时，三态DPM电流滞环跟踪不失为一种简单而性能优良的控制方式。