一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法技术

本发明专利技术涉及一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其主要技术特点包括以下步骤：在控制系统中，采用准连续控制的自然采样PWM调制方法对采样电流进行控制得到PWM电压；采用基于差分方程的调节器设计电流环PI控制器参数，从而实现扩展电流环带宽的功能。本发明专利技术采用准连续控制的自然采样PWM调制变换器的精细模型以及调节器差分设计方法的电流内环准连续数字控制策略，与现有的电流环控制方案相比，能够有效地拓展电流环控制带宽，提高了整个系统的动态响应和系统稳定性，这一优点相对于开关频率较低的大功率应用以及对动态响应性能要求较高的伺服应用具有显著的积极效果。

【技术实现步骤摘要】
一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法
本专利技术属于电气设备及电气工程
，尤其是一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法。
技术介绍
电力电子闭环调节系统，例如交流电机调速、光伏和风力发电、电源系统等，通常采用多环(双环或三环)控制结构，且大多以基于同步旋转坐标系的电流环作为最内环，其他被控量如转速、转矩、电压等作为外环控制量。因此，这些多环控制系统要想获得较好的控制性能，则电流环应当具有尽可能大的带宽，即具有较快的动态响应。特别是先进制造设备用的伺服系统，它要求把动态性能发挥到极致，对电流环带宽的要求非常高。变换器滞后和采样及离散滞后是影响电流环带宽的重要因素。其中，变换器滞后和功率器件开关频率正相关，但是受功率器件性能和散热能力的限制，小功率开关变换器的开关频率一般控制在10kHz左右，大功率变换器的开关频率在1kHz以下。因此，提高电流环带宽主要是在不提高脉宽调制(PWM)开关频率的前提下，尽量减小采样和离散滞后。一些文献报道了相关的研究成果，例如：文献“永磁交流伺服系统电流环带宽扩展研究，王宏佳，杨明，等.中国电机工程学报，2010，12(30)：56-62.”和“基于FPGA的高性能永磁同步电机电流控制器研究，苏玲宏，华中科技大学硕士学位论文，2014，12-14.”。在上述文献中，电流控制在同步旋转的dq坐标系下完成，电流环等效框图如图1所示。从图中可以看出，小时间常数综合环节将变换器滞后、采样及离散滞后等环节综合等效为一个时间常数为Td的惯性延迟环节，减小Td有助于提高系统动态响应。上述文献所列的几种典型电流环控制工作时序及其相应的延迟时间Td归纳如下：(1)单次电流采样和单次PWM占空比更新，其控制工作时序如图2所示。图中给出了第k-1周期和第k周期两个运算周期内的情况，开关周期为Ts。uref(k)、u(k)、i(k)分别为第k周期的电压给定值(Ts平均值)、实际电压(Ts平均值)、电流采样值(瞬时值)。这里瞬时电流采样时间远小于Ts，可以近似认为i(k-1)就是第k-1周期初始时刻的电流值。控制器的工作时序如下：在k-1周期初始，控制器得到瞬时电流采样值i(k-1)，并在该周期内完成PI等运算得到k周期的电压给定值uref(k)，在第k周期初始更新，考虑到PWM逆变器通常被等效成时间常数为Ts/2的惯性环节，因此从电流采样时刻至实际电压u(k)的延迟为Td＝Ts+Ts/2＝1.5Ts。(2)双次电流采样和双次PWM占空比更新，其控制工作时序如图3所示。该方法的采样、计算、更新顺序和“单次电流采样和单次PWM占空比更新方式”相同，且PWM周期均为Ts，区别在于将采样和控制周期减小为Ts/2，因此也称为半周期控制。通过和上一段类似的分析可知，该方法的延迟时间Td＝Ts/2+Ts/4＝0.75Ts。(3)改进的双次电流采样和双次PWM占空比更新，其控制工作时序如图4所示。该方法对“双次电流采样和双次PWM占空比更新”进行了改进：电压给定的计算时间被压缩至很短(基于FPGA控制芯片，合理设计控制器架构及工作方式可以大幅压缩采样及电压给定计算时间)，使得电流采样和电压给定计算、更新几乎可以认为是在每个PWM周期的初始时刻或中间时刻瞬时完成。于是，在图4中，i(k-1)采样完成和uref(k-1)计算、更新都是在k-1周期初始时刻完成，因此延迟时间只包含逆变器的输出延时，即Td＝(Ts/2)/2＝0.25Ts。总结上述电流环工作时序，可以看出现有的基于PWM调制的电力电子闭环调节系统还存在以下问题需要进一步完善：(1)现有数字控制的PWM调制多使用规则采样调制方法，在每个采样周期(一个或半个开关周期)之初输入电压给定值uref(k)，然后在这采样周期中维持不变，用它去和三角载波比较，从而引入了半个采样周期的滞后；(2)现在普遍使用的调节器工程设计方法基于线性连续系统的频率法，但是PWM调制的变换器不是连续线性环节，为能用频率法分析系统动态性能，用一个“半采样周期”滞后的线性环节来近似等效(即工程模型)，该方法较为粗糙：如果系统的响应时间持续许多个采样周期，这种近似可行，若响应时间只有2-3个开关周期，这种方法近似误差大，不宜再用工程模型和工程设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、动态响应快且系统稳定性强的采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，包括以下步骤：步骤1、在控制系统中，采用准连续控制的自然采样PWM调制方法对采样电流进行控制得到PWM电压；步骤2、采用基于差分方程的调节器设计电流环PI控制器参数，从而实现扩展电流环带宽的功能。所述控制系统采用DSP+FPGA结构，其中DSP完成人机交互及指令给定功能，FPGA负责电流环计算及PWM脉冲输出，控制系统使用AD1204芯片实现电流采样功能。所述步骤1的具体方法为：首先通过给定电流和反馈电流进行准连续比较得到电流误差，然后由调节器对电流误差做准连续运算，得到的dq轴电压给定经dq/abc坐标变换后得到准连续的三相电压给定，最后将准连续的三相电压给定与载波比较生成PWM电压。所述步骤2采用基于差分方程的调节器设计的电流环PI控制器参数为：其中，kp为电流环PI控制器的比例系数，Ti为电流环PI控制器的积分时间常数，KL为电流环调节对象的比例系数，TL为电流环调节对象的时间常数，Ts为PWM开关频率周期。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术采用准连续控制的自然采样PWM调制(准连续变化的电压给定值uref与三角载波比较)变换器的精细模型以及调节器差分设计方法的电流内环准连续数字控制策略，与现有的电流环控制方案相比，能够有效地拓展电流环控制带宽，提高了整个系统(含外环)的动态响应和系统稳定性，这一优点相对于开关频率较低的大功率应用以及对动态响应性能要求较高的伺服应用具有显著的积极效果。附图说明图1是现有电力电子闭环调节系统的电流环等效框图；图2是现有单次电流采样和单次PWM占空比更新时序图(Td＝1.5Ts)；图3是现有双次电流采样和双次PWM占空比更新时序图(Td＝0.75Ts)；图4是改进双次电流采样和双次PWM占空比更新(Td≌0.25Ts)；图5a是自然采样PWM变换器的幅频特性图；图5b是自然采样PWM变换器的相频特性图；图6是仿真系统电流环框图；图7是仿真d轴电流阶跃响应曲线图；图8是给定滤波后的d轴电流阶跃响应曲线图；图9是采用本专利技术进行实验的电流阶跃响应图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述：一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，是一种基于PWM调制无滞后模型及调节器差分设计方法的电流内环准连续数字控制策略，其主要技术创新点如下：(1)本专利技术提出基于准连续控制的自然采样PWM调制(准连续变化的电压给定值uref与三角载波比较)变换器的精细模型，即在满足采样定理条件下，变换器是无滞后的比例环节(幅频无衰减，相频无滞后)。为拓宽电流环带宽提供了理论依据。规则采样PWM由于其在一个采样周期内电压给定保持不变，引入采样滞后。相比之下，在模拟系统当中，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、在控制系统中，采用准连续控制的自然采样PWM调制方法对采样电流进行控制得到PWM电压；步骤2、采用基于差分方程的调节器设计电流环PI控制器参数，从而实现扩展电流环带宽的功能。

【技术特征摘要】
1.一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、在控制系统中，采用准连续控制的自然采样PWM调制方法对采样电流进行控制得到PWM电压；步骤2、采用基于差分方程的调节器设计电流环PI控制器参数，从而实现扩展电流环带宽的功能。2.根据权利要求1所述的一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其特征在于：所述控制系统采用DSP+FPGA结构，其中DSP完成人机交互及指令给定功能，FPGA负责电流环计算及PWM脉冲输出，控制系统使用AD1204芯片实现电流采样功能。3.根据权利要求1或2所述的一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：首先通过给定电流和反馈电流进行准连续比较得到电流误差，然后由调节器对电流误差做准连续运算，得到的dq轴电压给定经dq/abc坐标变换后得到准连续的三相电压给定，最后将准连续的三相电压给定与载波比较生成PWM电压。4.根据权利要求1或2所述的一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其特征在于：所述步骤2采用基于差分方程的调节器设计的电流环PI控制器参数为：其中，kp为电流环PI控制器的比例系数，Ti为电流环PI控制器的积分时间常数，KL为电流环调节对象的比例系数，TL为电流环调节对象的时间常数，Ts为PWM开关频率周期。5.根据权利要求4所述的一种采用准连续脉宽调制策略扩展电流环带宽的方法，其特征在于：所述电流环PI控制器的比例系数kp、电流环PI控制器的积分时间常数Ti设计方法为：设电流环调节对象等效为比例系数为KL、时间常数为TL的一阶惯性环节，PWM开关频率周期为Ts，定义变量的增量Δy为瞬时值y和其稳态值yss之差，则：调节对象在...

【专利技术属性】
技术研发人员：金雪峰，宋鹏，李钊，姜一达，田凯，刘洋，温金鑫，
申请(专利权)人：天津电气科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12