基于雙閉環自適應整定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，基于變頻器驅動的異步電機已被廣泛應用到生活及生產之中，變頻器驅動的關鍵技術在于對逆變器的控制，逆變電源的控制主要采用PI調節器控制，傳統的PI控制具有很多優點，但是對于一些現場運行負荷復雜的異步電機驅動的場合，設定固定的PI參數已無法滿足需求。

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

1 系統模型

為簡化研究，本文模型采用單相全橋結構逆變器。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的狀態方程如下式：

用以上得到的逆變電源狀態空間方程，根據拉普拉斯變換推導可得傳遞函數模型為：

當單相逆變器空載時，即R=∞時，在連續域的傳遞函數為：

通常濾波電感等效內阻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節的數學模型來進行研究［1］。

2 雙閉環變頻逆變電源控制方法

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

圖2 開環控制系統帶不同負載時的波特圖

如圖3所示，為電感電流內環、電壓外環的雙環反饋控制結構框圖。

圖3 逆變電源雙閉環控制框圖

空載時，傳遞函數為：

帶載時，傳函為輸出阻抗：

取相同的系統參數，根據式（5），雙閉環反饋控制系統bote圖如圖4所示?？梢钥闯鲋C振尖峰被消除，改善了系統的振蕩問題，增大了系統的穩定裕度。

圖4 雙閉環控制系統波特圖

3 控制系統設計

3.1 控制系統總體結構設計

如圖5所示，為變頻調速系統框圖。ωs＊為速度調節器的輸出信號，同時作為轉差頻率給定信號，與實測轉速信號ω 做加法運算，得定子頻率給定信號ω1＊，即：

圖5 控制系統總體結構框圖

可根據函數關系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速所需變壓變頻逆變電源［2］。

3.2 數字PI閉環調節器算法設計

在傳統PI控制中，比例系數Kp和積分系數KI的作用［3］：當系統出現偏差，比例調節Kp立即作用，快速減少系統偏差。但是當Kp過大，會出現較大的超調量，系統不穩定。積分作用Ki的作用是消除系統穩態誤差，積分作用同樣會使系統不穩定，并且動態響應速度變慢。

對PI控制算法參數的整定，需要根據響應速度、超調量、穩定性和穩態精度等指標綜合做出判斷，得出PI參數與誤差e和誤差變化率ek之間的關系。連續檢測e和ek，對PI參數進行實時動態調整，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 控制關系表

3.3 改進的數字PI算法程序設計

本系統采用的數字PI算法，重點考慮了對KP、KI參數的整定，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。系統采用轉速閉環、轉差頻率控制的變壓變頻調速方法，控制算法實現方法采用常規查表法和自動調節方法。本系統采用的數字PI控制算法對KP、KI的調節是首先通過常規查表法得到大概的參數值，再通過不斷的自動調整得到較為準確的參數值。數字PI控制算法的程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 數字PI算法程序設計流程圖

4 仿真研究

如圖7所示，建立Matlab/Simulink系統仿真模型。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 系統仿真模型

在本系統中，通過改變轉矩來改變逆變電源的負載，系統仿真的采樣時間為Ts＝10μs，設定系統給定轉速為1500r/min，轉矩t＝2.5s，由0變為14.795N·m，如圖8（a）所示，系統開環控制，當轉矩由0變為14.795N·m，轉速下降了100r/min；如圖8（b）所示，系統閉環控制，在t＝2.5s之后，即轉矩由0變為14.795N·m，又回到了轉矩變化之前的轉速，滿足系統要求。

圖8 系統在開環和閉環控制下的電機轉速波形

5 結論

本文研究了交流變頻調速技術，重點對轉速閉環、轉差頻率控制的變壓變頻調速技術進行了探討，介紹了控制器的相關控制算法，對控制系統的總體結構進行了設計，采用一種改進型的雙閉環自適應整定PI控制算法，并對實現方法進行了詳細的描述。對建立的數字控制系統在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，仿真實驗結果證明了變頻逆變電源數字控制系統的可行性，同時表明所選用的控制策略在改善電機調速性能方面取得了良好的效果。