單相全橋逆變器控制技術(shù)基礎(chǔ)單相全橋逆變器控制技術(shù)基礎(chǔ)目錄1231.SPWM控制2.滯環(huán)控制3.電壓電流雙閉環(huán)控制144.PID1目錄1231.SPWM控制2.滯環(huán)控制3.SPWM控制單相全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SPWM控制單相全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器的兩種調(diào)制技術(shù)3開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計方便。和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。SPWM滯環(huán)調(diào)制采用瞬時值比較方式，雖存在開關(guān)頻率不固定的缺點使濾波器設(shè)計困難(可設(shè)計可變環(huán)寬控制策略使開關(guān)頻率固定;但它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、不依賴負(fù)載參數(shù)和無條件穩(wěn)定等優(yōu)點。滯環(huán)控制3逆變器的兩種調(diào)制技術(shù)3開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器SPWM控制4■面積等效原理

◆是PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

◆原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。

?沖量即指窄脈沖的面積。

?效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

?如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。4SPWM控制4■面積等效原理4SPWM控制5■用PWM波代替正弦半波

◆將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為

/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。

◆把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。

◆對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

◆脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形。

SPWM控制5■用PWM波代替正弦半波6SPWM控制■計算法

◆根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計算出來，按照計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計算法。

◆計算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化?！稣{(diào)制法

◆把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。

◆通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。

SPWM實現(xiàn)6SPWM控制■計算法SPWM實現(xiàn)7SPWM控制urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud◆單極性PWM控制方式

?調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在電流的正半周，V1始終導(dǎo)通7SPWM控制urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud8SPWM控制◆雙極性PWM控制方式

?在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。

?在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)，在ur的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平。

?在ur的正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。

urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud8SPWM控制urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud9SPWM控制■在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法?！鲆?guī)則采樣法

◆是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。

◆方法說明

?取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc，使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點（即負(fù)峰點）為對稱。?在三角波的負(fù)峰時刻tD對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷。

?可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d9SPWM控制■在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器10SPWM控制?

和

'的確定設(shè)正弦調(diào)制信號波為

式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；

r為正弦信號波角頻率，從圖中可得如下關(guān)系式因此可得10SPWM控制?和'的確定式中，a稱為調(diào)制度，滯環(huán)控制■滯環(huán)比較方式有單極性滯環(huán)控制和雙極性滯環(huán)跟蹤控制，變環(huán)寬滯環(huán)控制等三種。

◆滯環(huán)控制也分為電流型和電壓型兩種，電流滯環(huán)跟蹤控制應(yīng)用最多。

◆電流滯環(huán)跟蹤控制原理：電流基準(zhǔn)信號i*與電感電流i進行比較得到電流誤差信號i*-i,電流誤差信號經(jīng)過滯環(huán)比較器生成開關(guān)管的控制信號,從而控制變換器輸出電流的變化趨勢,使其紋波始終處在設(shè)定的正負(fù)環(huán)寬內(nèi),以達到準(zhǔn)確跟蹤基準(zhǔn)電流的目標(biāo)。tOiii*+DIi*-DIi*滯環(huán)控制■滯環(huán)比較方式有單極性滯環(huán)控制和雙極性滯環(huán)跟蹤控制，滯環(huán)控制

◆當(dāng)電感電流i大于電流基準(zhǔn)信號i*，且大于環(huán)寬H時，此時導(dǎo)通S2、S3，逆變器橋臂間的輸出電壓為-Ud，濾波電感承受負(fù)電壓，電感電流下降;

◆當(dāng)電感電流i小于電流基準(zhǔn)信號i*，且小于環(huán)寬-H時，此時導(dǎo)通S1、S4，逆變器橋臂間的輸出電壓為Ud，濾波電感承受正電壓，電感電流上升。單極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制單極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制在電流的正半周，S1始終導(dǎo)通

◆當(dāng)電感電流i小于電流基準(zhǔn)信號i*，且小于環(huán)寬-H時，此時導(dǎo)通S4，逆變器橋臂間的輸出電壓為Ud，濾波電感承受正電壓，電感電流上升。

◆當(dāng)電感電流i大于電流基準(zhǔn)信號i*，且大于環(huán)寬H時，此時導(dǎo)通S2，逆變器橋臂間的輸出電壓為0，濾波電感承受負(fù)電壓，電感電流下降;當(dāng)處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時，可作類似分析，逆變器橋臂間的輸出電壓為-Ud和0。雙極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制在電流的正半周，S1始終導(dǎo)通雙極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制

根據(jù)電流在一個周期內(nèi)增加的數(shù)值和減少的數(shù)值近似相等的原理，可以推導(dǎo)出逆變器開關(guān)管的瞬時頻率為：?傳統(tǒng)滯環(huán)控制的優(yōu)缺點：

√滯環(huán)電流控制的優(yōu)點就是控制簡單,系統(tǒng)的響應(yīng)速度快,可以實時跟蹤參考電流的變化,且對負(fù)載和電路參數(shù)的變化不敏感。

√滯環(huán)環(huán)寬H固定不變,當(dāng)輸出電壓Ug變化時,逆變電源的開關(guān)頻率f也會隨之變化,開關(guān)頻率的不固定增加了逆變器輸出濾波電路的設(shè)計難度。√環(huán)寬過寬時，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。√L大時，i的變化率小，跟蹤慢；L小時，i的變化率大，開關(guān)頻率過高。滯環(huán)控制根據(jù)電流在一個周期內(nèi)增加的數(shù)值和減少的滯環(huán)控制

◆缺點：需要增加參考電流信號過零比較器；◆優(yōu)點：與4個開關(guān)管均工作于高頻狀態(tài)的單極性滯環(huán)控制相比，本控制方式只需2個開關(guān)工作于高頻狀態(tài)，開關(guān)損耗明顯減小，提高了逆變器效率。另外，諧波含量也得以減少。單極性與雙極性滯環(huán)控制性能對比滯環(huán)控制◆缺點：需要增加參考電流信號過零比較滯環(huán)控制

固定開關(guān)頻率，令f=F：

√滯環(huán)控制的環(huán)寬由兩部分構(gòu)成,固定直流分量和一個兩倍網(wǎng)側(cè)電壓頻率波動的余弦分量,式中和Kt1、Kt2可以由電路自身參數(shù)來確定,這些參數(shù)包括直流側(cè)電源電壓Ud、濾波電感L和所設(shè)定的開關(guān)頻率F。變環(huán)寬滯環(huán)控制滯環(huán)控制固定開關(guān)頻率，令f=F：變環(huán)寬滯環(huán)控雙閉環(huán)控制17對逆變器的輸出進行高頻濾波，即可得到理想的正弦波，為什么需進行閉環(huán)控制呢？開關(guān)器件非理想死區(qū)時間負(fù)載擾動非線性負(fù)載直流側(cè)電壓波動為什么要進行閉環(huán)控制？17雙閉環(huán)控制17對逆變器的輸出進行高頻濾波，即可得到理雙閉環(huán)控制18多環(huán)控制單環(huán)控制瞬時值反饋控制有效值恒定反饋控制逆變器控制方法發(fā)展趨勢數(shù)字控制模擬控制非線性控制、智能控制線性控制18雙閉環(huán)控制18多環(huán)控制單環(huán)控制瞬時值反饋控制有效值恒定反饋控雙閉環(huán)控制電壓電流雙閉環(huán)控制即電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計。電壓電流雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制電壓電流雙閉環(huán)控制即電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計。電壓雙閉環(huán)控制電壓環(huán)的作用是跟蹤和穩(wěn)定輸出電壓，它的設(shè)計大多采取PI調(diào)節(jié)器模式。電流環(huán)的作用是使逆變器的動態(tài)響應(yīng)加快，負(fù)載適應(yīng)能力加強，并具有輸出電流限制能力，提高系統(tǒng)的可靠性。雙閉環(huán)控制電壓環(huán)的作用是跟蹤和穩(wěn)定輸出電壓，它的設(shè)計大多采取雙閉環(huán)控制根據(jù)內(nèi)環(huán)電流反饋釆樣對象的不同,逆變器的雙閉環(huán)控制可分為兩種:電容電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)：釆用濾波電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋量時,電容電流成為被控對象，電容電流的微分作用會使得電容輸出電壓得到提前矯正，這種雙閉環(huán)控制的優(yōu)點是對線性和非線性負(fù)載均有很好的動態(tài)抑制作用。在這種雙閉環(huán)控制中電流限幅環(huán)節(jié)只能限制電容電流的大小，負(fù)載電流和電感電流則不受其約束，所以這種控制的缺點是無法做到對電路的限流保護。電感電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)：以電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋量時，可以通過限制濾波電感電流來實現(xiàn)對逆變器的過流保護，但是這種雙閉環(huán)控制抑制負(fù)載擾動的能力不如以電容電流為反饋量的雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制根據(jù)內(nèi)環(huán)電流反饋釆樣對象的不同,逆變器的雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制22應(yīng)用狀態(tài)空間平均法處理逆變器的前提條件是逆變器的輸出頻率遠(yuǎn)小于其開關(guān)頻率,即在一個開關(guān)周期內(nèi),可以使用電路中變量的平均值來代替其瞬時值。經(jīng)過狀態(tài)空間平均法處理后,可方便采用經(jīng)典理論對被控對象進行分析和研究。單相全橋逆變器建模22雙閉環(huán)控制22應(yīng)用狀態(tài)空間平均法處理逆變器的前提條件雙閉環(huán)控制23逆變電源的負(fù)載電流io，對于其輸出電壓uo。來說是一個擾動量單相全橋逆變器建模23雙閉環(huán)控制23逆變電源的負(fù)載電流io，對于其輸出電壓uo。來雙閉環(huán)控制

電壓給定信號Uref與反饋信號Uo相減得到電壓誤差,電壓誤差經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)；得到電流環(huán)的給定信號iL'，iL'與電感電流瞬時值iL相減得到電流環(huán)的誤差，再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器Gi(s)得到控制逆變器開關(guān)所需的控制信號。電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖雙閉環(huán)控制電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控雙閉環(huán)控制

當(dāng)逆變器的調(diào)制波頻率和輸出濾波器截止頻率遠(yuǎn)小于載波頻率,且調(diào)制波的幅值小于載波幅值時,逆變橋和后續(xù)的PWM環(huán)節(jié)一起可以簡化為一個比例放大器,其放大系數(shù)為n=Ud/Um，逆變器雙閉環(huán)控制采用電壓外環(huán)PI控制,電流內(nèi)環(huán)僅為一個P控制。電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖雙閉環(huán)控制電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控雙閉環(huán)控制逆變器雙閉環(huán)控制采用電壓外環(huán)PI控制,電流內(nèi)環(huán)僅為一個P控制，可得逆變器輸出傳遞函數(shù)為G(s)體現(xiàn)了變換器系統(tǒng)的輸出對其給定參考電壓的跟蹤性能;而Z(s)體現(xiàn)了變換器系統(tǒng)的負(fù)載電流對其輸出的擾動特性,可以等效為逆變電源系統(tǒng)的輸出阻抗雙閉環(huán)控制逆變器雙閉環(huán)控制采用電壓外環(huán)PI控制雙閉環(huán)控制基于PI控制的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖雙閉環(huán)控制基于PI控制的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖雙閉環(huán)控制基于電流滯環(huán)控制的雙