1、UPS 逆变控制系统设计 (1)肖永利（2001-8-7）摘 要 ：本文主要讨论了 UPS 逆变控制系统的设计方法和步骤。首先建立了逆变系统的数学模型，根据逆变自身动态特性，确立了引入电容电流反馈和电压反馈的控制结构。在此基础上，分析了系统参数对控制特性的影响。结合 C6KNN 机种的逆变控制系统设计过程，对设计中遇到的各种实际问题的产生原因和相应的控制参数调整思路做了分析和解释，其中包括系统延迟、瞬投 RCD 载电压上冲、限流以及卸载电压上冲等问题。本文最后对现有的遗留问题做了总结并确定了问题的解决方向。1 数学模型LoadLC2Vdc cvi)(tu图 1 单项半桥 UPS 逆变系统图 1
2、 为单项半桥 UPS 逆变电路原理图，为了研究方便，这里设负载为阻性 R，取电容电压 和电流 为状态变量，则由图 1 可列写出逆变系统的状态方程为：cvci（1）)(/10/0tuLivRCLivcc 其中（2）)2()*SVtudc表示逆变开关管轮流导通的开关函数， 为 BUS 电压幅值。1S对逆变系统而言，当开关管的动作频率远远大于其 PWM 调制信号 的频率时，则开mv关函数 就可近似用如下的占空比 来表示 1。* )(t（3）1)(2*tmVvS式中 为载波的幅值。tV由式（2）和（3）可得：（4）)()(tvKtumpw式中： 即为 PWM 放大系数。tdcpwmVK由式（1）和（4
3、）可得调值信号 到电容电压 的传递函数 为：mvcv)(0sG（5）1)/()(20sRLCsKGpwm上述逆变模型是在阻性负载情况下得到的，模型参数与负载 R 大小有关，因此逆变模型的参数具有不确定性。当 R 为无穷大，即为空载情况下时，逆变模型为：（6）1)(20LCsKpwm另外，实际 UPS 系统还可能携带除阻性外的容性或感性以及 RCD 非线性负载等，所以实际 UPS 系统的逆变模型还具有结构不确定性。2 控制系统结构设计观察式（6）和（5）可知，被控对象为一个二阶系统，系统的自然频率为：（7）LCn/1阻尼比为：（8）R2由式（7）和（8）知，逆变系统中的电感和电容的大小决定了系统
4、的自然频率，当 L 和 C 确定后，负载 R 则对系统的阻尼起决定性作用， R 越小，系统阻尼越大。由于在无载情况下，逆变为一个无阻尼的振荡系统，加载后，即使在满载情况下系统也是个欠阻尼系统（带入实际参数可进行判断） ，所以要达到好的控制特性，就必须给系统增加阻尼。一般情况下，增加阻尼可采取两种方案：一种是在反馈控制量中加入微分控制量，另一种就是引入输出控制量的速度量。由于微分控制对系统噪声有放大作用，一般情况下较少采用，实际控制设计中较多地是采用增加回路的方式给系统增加阻尼。在逆变控制系统中，控制输出量为电容电压，增加阻尼可通过引入电容电流反馈来实现。根据上述分析，控制系统的总体结构可设计成
5、图 2 的形式。1)/(2sRLCsKpwmCsivKrefv outvmv图 2 逆变控制系统框图由图 2 可推出内环传递函数为：（9）1)/(2 sCKRLCspwmii由式（9）的特征方程可知，系统阻尼比为：（10）pwi2比较式（8）和（10）可见，引入电容电流反馈，增加了系统的阻尼比，因而可以有效改善系统的特性。由图 2 可得整个系统的闭环传递函数为：（11） 1)/(2 pwmivpwmivrefout KsCKRLCsV3 系统参数对控制性能的影响（1）动态特性由式（11）知，图 2 结构形式的逆变控制系统是一个典型的二阶系统，其动态特性与相关参数的关系可参考一般的自动控制原理书
6、籍，这里仅简单说明如下：a: 开环情况下，滤波电感和电容大小的乘积 LC 决定了系统的自然频率，提高自然频率，可使系统的响应速度较快。b: 当 LC 确定后，增益 可用来调整系统的阻尼比，以获得期望的动态特性。另外，LCiK一定的情况下，L 越大，系统的阻尼比越小。c: 增益 可以改变闭环系统的自然频率，因此它的大小也影响系统的响应速度。v（2）稳态特性对于单位阶跃响应而言，上述逆变控制系统的稳态误差为：（12）1pwmivsKe可见系统稳态误差直接由增益 和 决定。 和 越大，稳态误差越小。在理想情况vi i下，系统稳态输出电压幅值与负载大小无关。（3）抗负载干扰特性对 UPS 逆变控制系统
7、而言，我们期望的是输出电压对负载变化的鲁棒性越强越好，反映在控制系统设计中就是期望系统输出抗负载电流干扰的能力越强越好。负载电流对逆变系统的干扰可用图 3 来表示。 Cs1iKvrefv outvmvLs1pwdi图 3由图 3 可写出负载电流与电容电压输出的关系为：（13）LKsLCKsIVpwmivpwmidout /)1()/()(2 用 替换 s，显然，当特征方程满足如下条件时，系统的抗干扰能力最强j（14）jjCpwivpwi /)()/()(max2即：（15）222 )/(/)1( LCKLKpwmipwmiv负载电流突变时，其含有的高频成分较多，所以式（15）中起决定作用的是如
8、下部分：（16）)/(Cpwmi由式（16）可知，控制增益 越大，则系统的抗干扰能力越强。另外，滤波电容和电iK感也对抗干扰特性有影响，若 LC 一定，电容越大，电感越小，则输出抗干扰能力越强。增益 对抗负载电流干扰特性影响较小。vK4 C6KNN 逆变控制系统设计实例C6KNN 逆变采用 DSP 数字控制技术，增强了控制器设计的灵活性。C6KNN 初期的控制结构（参见 C6K-DSP inverter 调试报告，黄雁飞）与本文中的图 2 基本一致，但存在以下一些问题：(1) 引入电容电流反馈的同时，又加入 D 控制和电压微分控制。由于三个控制量的作用基本一致，所以 D 控制和电压微分控制多余
9、。(2) 电容电流和电压的反馈参数无谓地加入控制设计中，增加了控制参数设计数量，使设计难于调整。应用 DSP 数字技术，完全可以事先使反馈回路的增益为 1，从而形成单位反馈，这样就可直接通过调整前馈参数来调整控制系统性能。(3) 引入的负载电流反馈物理意义不清楚。(4) 参数设计较为盲目。应根据实际系统的控制需要来设计参数。C6KNN 初期各部分参数值为：BUS 电压幅值 ；载波幅值 ；Vdc0.36Vt0.39滤波电感 ；电感上的电阻 ；滤波电容 （其中 电容mHL83.01.0lrFC52的电流用于反馈，另 电容电流不反馈） ；电容上的电阻 。考虑 DSP 计算F1 1.cr延迟 25us
10、。实际控制参数设计主要经历了以下几次反复。第一次： 设计参数为： ；32iK8.0v设计思想：尽可能减小稳态误差，提高响应速度，增强抗干扰特性。实验结果：系统无法开机。原因分析：经考虑，系统无法开机是由于系统发散造成的。这是因为在设计时，DSP 的计算延迟估计太小，从而使控制参数在一定程度上可以取的比较大，但若考虑实际 DSP 计算延迟为 52us，则系统就变的不稳定了（延迟对控制系统的影响可参见一般控制原理书） 。在下面的设计中，将 DSP 计算延迟考虑为 52us第二次：设计参数为： ；23iK16.0v设计思想：在保证系统稳定的前提下，尽量增大 ，这样可使系统开环增益较大，从而使iK系统
11、的响应速度快，抗干扰能力强，稳态误差小。实验结果：系统正常开机。加阻性负载问题不大，但加 RCD 载仍旧出现瞬投电压上冲的问题。RCD 载卸载时电压上冲较小。原因分析：瞬投 RCD 载电压会上冲是因为电流会出现不连续现象，也就是说在瞬间加入RCD 载后，滤波电容会迅速对负载放电，这时候电容电压被拉的很低，反馈控制为了使电容电压尽快恢复，就尽可能增加控制量，然而，由于电容电压上升速度较慢，此时的控制量将使得电感电流很大，而电感电流又都全部流向负载，这时，RCD 载突然卸掉，就会造成已被反馈控制量调得很大的电感电流全部灌入电容，从而使电容电压迅速上冲，且此时控制作用也无能为力。为了解决这一问题，只
12、有降低控制系统的响应速度，也就是说在电容电压较低时，响应速度较慢的控制系统其控制量也较小，这样就可以不使电感电流增加的很大，从而使得电感电流灌入电容的瞬间反馈控制能够有效抑制其电压上冲。第三次：设计参数为： ；15iK07.v设计思想：基于上次实验问题的分析结果，又重新调整了控制参数，目的是减小控制增益，降低系统响应速度。实验结果：加阻性负载较好；多次反复瞬投 RCD 载也不再出现电压上冲的问题，但是加RCD 载接近满载时出现限流问题；RCD 载卸载时电压上冲较前面略大。原因分析：系统响应速度较快、控制量大，就会使得负载电流过大，从而造成投 RCD 载满载时出现限流问题。解决思路是应减小控制增
13、益。由于控制增益 减小，使得系统抗负iK载电流干扰能力减弱，所以卸载时电压上冲幅度会变大。第四次：设计参数为： ；15iK03.v设计思想：为了在减小控制增益的同时不较大影响系统的抗负载电流干扰影响，所以保持增益 不变，只减小增益 。i v实验结果：多次反复瞬投 RCD 载不出现电压上冲的问题，加 RCD 载满载时也不出现限流问题。第五次：由于原先的硬件电路是只将 电容的电流用于反馈，而另外 电容的电F25F10流没有用于反馈控制，考虑到这样做的意义和目的不十分清楚。所以将另 电容的电流也用于反馈控制，再次重新设计，设计参数为： ；10iK3.v实验结果：多次反复瞬投 RCD 载不出现电压上冲
14、的问题，加 RCD 载满载时也不出现限流问题。5 遗留问题目前的控制系统虽对瞬投 RCD 载电压上冲、卸载电压上冲以及限流等问题有较好的抑制作用，并且具有设计简单，实现容易等优点，但其仍存在如下问题和弊端：（1） 加入滤波板后投 RCD 载达到稳态后，负载电流会出现纹波，且主要体现在负半周。（2） 由于受控制结构限制，控制系统稳态误差太大。（3） 系统抗负载干扰能力不强。6 遗留问题初步分析和解决思路（1） 投 RCD 载达稳态后负载电流出现纹波的原因，是由于上述逆变控制主要是针对阻性负载进行设计的，当逆变带 RCD 载后，由于负载结构发生变化，造成整个控制系统结构也发生了变化，所以系统在阻性
15、负载（或空载）情况下的控制性能将不能保证在 RCD 载下也具有同样的控制性能。另外，纹波是在输出加入滤波板情况下出现的，滤波板和导线上均有电感，仿真结果表明，电感大小在一定范围内时，就会造成负载电流出现纹波。经分析和仿真，当逆变接入 RCD 载并考虑上述杂散电感时，控制系统的特性将变得很糟糕，甚至发散，这也就是负载电流出现纹波的主要原因。该问题的解决思路是，若现有控制结构仅通过调整参数无法克服上述负载电流纹波问题，将考虑重新选择控制结构和设计鲁棒性更强的控制器。（2） 稳态误差问题目前已初步找到解决办法。7 结论采用比例控制的电压环和电流环双回路反馈控制结构是 UPS 逆变控制系统一种简单实用
16、的设计方案。该方案的最大优点是设计结构简单，各回路物理意义清晰，设计参数少且方便，实现容易等。不足之处是系统稳态误差较大，鲁棒性不强。针对这一结构，本文以阻性负载为主要研究对象，分析了逆变控制设计的各个步骤和机理，并结合实验，给出了控制参数的设计调整思路。由于前期工作的主要重点放在了克服瞬投 RCD 载电压上冲及限流等问题，故在设计中忽视了一些其它应该考虑的问题，造成目前系统还没有达到完善的地步，所以下一步工作是全面对整个系统存在的问题进行解决。参考文献：1 N. M. Abdel-Rahim, J. E. Quaicoe. Analysis and Design of a Multiple Feedback Loop Control Strategy for Single-Phase Voltage-Source UPS Inverters. IEEE Transactions on power electronics, 1996, Vol.11, No.4, pp.532541
