逆变电源的六种控制算法

在电路中将直流电转换为交流电的过程称之为逆变，这种转换通常通过逆变电源来实现。这就涉及到在逆变过程中的控制算法问题。

只有掌握了逆变电源的控制算法，才能真正意义上的掌握逆变电源的原理和运行方式，从而方便设计。在本篇文章当中，将对逆变电源的控制算法进行总结，帮助大家进一步掌握逆变电源的相关知识。

逆变电源的算法主要有以下几种。

数字PID控制

PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法，控制算法简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好，可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术。它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。将其数字化以后，它克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点，可以方便调整PID参数，具有很大的灵活性和适应性。与其它控制方法相比，数字PID具有以下优点：

PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。

PID控制在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。

PID算法简单明了，便于单片机或DSP实现。

采用数字PID控制算法的局限性有两个方面。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。

状态反馈控制

状态反馈控制可以任意配置闭环控制系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变器的状态模型时将负载的动态特性考虑在内，因此状态反馈控制只能针对空载和已知的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强，使得系统的参数在发生变化时易导致稳态误差的出现和以及动态特性的改变。例如对于非线性的整流负载，其控制效果就不是很理想。

重复控制

重复控制是近几年发展起来的一种新型逆变电源控制方案，它可以克服整流型非线性负载引起的输出波形周期性的畸变。重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形畸变将在下一个周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各个周期将出现的重复性畸变。该控制方法具有良好的稳态输出特性和非常好的鲁棒性，但该方法在控制上具有一个周期的延迟，因而系统的动态响应较差。自适应重复控制方案，已经成功地应用于逆变器的控制中。

滑模变结构控制

滑模变结构控制利用不连续的开关控制方法来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一滑动模态轨迹运动。该控制方法最大的优点是对参数变化和外部干扰的不敏感性，即强鲁棒性，加上其开关特性，特别适用于电力电子系统的闭环控制。但滑模变结构控制存在系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。如今，逆变电源的滑模变结构控制的研究方兴未艾，特别滑模变控制和其它智能控制策略相结合所构成的符合控制策略的研究倍受关注。

无差拍控制

无差拍控制是一种基于微机实现的PWM方案，它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度，80年代末引如到正弦波逆变电源控制系统中。对于线性系统来说，该控制方法具有很好的稳态特性和快速的动态响应。其缺点也十分明显：它对系统参数的变化反应灵敏，即鲁棒性较差。一旦系统参数出现较大波动或系统模型建立不准确时，系统将出现很强的震荡。为此，在无差拍控制之中引入智能控制是当今的研究热点之一。

智能控制

智能控制技术主要包括模糊控制、神经网络和专家系统，对于高性能的逆变电源系统，模糊控制器有着以下优点：

具有较强的鲁棒性和自适应性，模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型。

查找模糊控制表占用处理器的时间很少，因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则的偏差。

模糊控制的优势在于，能够根据不同精度的需求开靠近非线性函数，但相对的，其规则树和分档都收到了一定程度的控制。同事也包含人为控制的因素，所以模糊控制在控制方面的精度仍然有待改善。

基于FPGA的数字化逆变电源的嵌入式系统

本设计充分利用ALTERA公司的Cyclone II系列FPGA的特性，构建了逆变电源的嵌入式控制系统。本设计在FPGA中实现数字化的PI和数字化的PWM控制。数字化控制实现了焊接过程信息实时采集处理，而且对输出电流有很好的控制。

1 引言

电力电子技术近年来迅猛发展，随着对逆变电源性能以及效率等要求的越来越高，在中大功率场合应用中，对全桥电路的控制方式的研究也在不断改进，其中移相控制方式作为一种理想的控制方式已成为大功率全桥DC/DC变换器的发展趋势。

它的主要控制思想是：在全桥逆变拓扑中，每个桥臂上的两个开关管带死区的互补导通，桥臂之间的位于对角线上的开关管导通相差一个移相角α，其中超前导通的桥臂一般被称为超前臂（也叫固定臂），另一个桥臂被成为滞后臂（也称为移相臂）。

目前在通信电源等开关电源领域，移相全桥软开关拓扑是首选的电路结构之一，专用的移相控制芯片也已在这些场合大量应用。但针对中大功率应用领域，目前的专用移相控制芯片仍然存在一定的不足。

本文采用Altera公司的CycloneII系列FPGA芯片实现了基于移相PWM全桥控制模式的脉宽调制输出实现了大功率逆变电源的设计，简化了控制电路，提高了可靠性，并且本设计可应用于其他低压大电流输出的中大功率逆变电源场合（即数字化开关电源领域），应用领域广泛。

2 专用移相控制芯片

目前市场上常见的专用移相控制芯片主要有：Micro Leaner公司的ML4828，以及TI公司的UC3875系列、UC3879、UCC3895等等。

几款移相控制芯片的性能参数或多或少存在一定的区别，但它们基本的工作方式以及控制原理是完全相同的。下面以UC3875为例，其内部主要由脉宽调制信号产生电路、移相形成电路以及辅助电路3大部分构成。其中，脉宽调制部分由振荡电路、误差放大器及锯齿波发生器等构成，其产生移相脉冲逻辑如图1所示。

图1 产生移相脉冲时序逻辑图

本设计之初的思路是利用现有专用移相控制芯片作为大功率逆变电源的控制核心，实现大功率逆变电源的移相全桥控制。在实际研究中，发现移相全桥控制芯片在应用到大功率逆变电源领域时存在不足。主要缺点有如下两点：

其中，缺点1由表1的专用移相控制芯片的性能对比可以看出几款移相控制芯片可调范围无一例外的将其可调范围限定在500nS左右，而其可设置的死区时间均在2～4uS左右。这个时间等级在驱动以MOSFET高速器件为功率开关器件的中小功率逆变电源时是合适的。

然而对于大功率逆变电源一般都以IGBT为开关器件，由于IGBT存在拖尾电流效应，其开关频率一般在20kHz至60kHz，对于同一桥臂上下开关管的IGBT的死区时间必须大于3微秒，一般为4～10微秒。若使用目前的几款专用移相开关器件，均不符合要求。

缺点2则是在实际调试中发现的，由于移相芯片设计上固有的误差放大器内部输入阈值比较点，当移相控制芯片的误差输入给定端的输入值到达固定的该点时输出波形存在滞环振荡的现象。如图2所示为利用示波器无限余辉模式观测到的发生振荡时的UC3875输出PWM的抖动范围。

图2 误差放大器输入值到达特定值点的滞环振荡

3 系统硬件设计

本设计采用的可编程逻辑芯片为Altera公司的CycloneII系列的EP2C5T144C8的FPGA芯片，其内部含有4608个逻辑单元、26个M4K块（共计约14K Bytes的RAM存储单元）以及2个内嵌锁相环电路，EDA设计环境为Altera公司的Quartus II集成开发环境，仿真软件为ModelSim；单片机部分选用富士通公司的16位增强型单片机MB90F352S。

可编程逻辑器件是指一切可以通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。随着电子工艺的不断改进，现代数字电路的发展速度很快，低成本高性能的FPGA/CPLD器件不断推陈出新，使其成为硬件设计的首选方式之一。

目前常用的可编程逻辑器件主要有复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）两种。本设计选用的Cyclone II的 EP2C5T144C8器件提供了相当于13个18比特x 18比特的乘法器，可以实现通用数字信号处理（DSP）功能，如有限推动响应（FIR）滤波器、快速傅立叶变换（FFT）、相关器、编/解码器和数字控制振荡器（NCO）。 与基于逻辑单元（LE）的乘法器相比，嵌入式乘法器提供了更高的性能和逻辑效率。

把FPGA/CPLD应用于嵌入式控制系统，同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点。本文设计实现的数字化弧焊逆变电源，利用单片机与可编程逻辑器件共同构建数字控制系统，如图3所示，单片机用以统筹整个焊接过程的控制管理，而复杂的算法和逻辑控制包括PID算法和PWM生成策略均由可编程逻辑器件FPGA完成，外围电路可以大大简化，提高系统的可靠性。

图3 弧焊逆变电源数字控制系统框图

其主要控制思想为：系统通过霍尔电流反馈实时采样输出电流信号，将反馈通过16位富士通单片机中自带的10位A/D转换（最快转换速率达3μS），将模拟量转换为数字量并实时送入FPGA中。另外同时将面板参数给定也送入FPGA中，通过在FPGA中的PID算法模块生成控制PWM模块占空比的参数给定，最后由PWM模块输出四路驱动波形，从而完成了整个系统的一个周期的运转。

4 FPGA中主要模块的设计（略）

完整的FPGA/CPLD设计流程应包括：电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤。

本设计通过Verilog HDL语言完成各部分模块的设计与生成，仿真验证则是通过编写测试文件TestBench在ModelSim环境下仿真，最后均在QuartusII环境综合并下载到EP2C5中运行。限于篇幅，以下各模块的说明中均未给出具体的Verilog语言的源程序，仅说明各模块的具体功能和实现方法。

下面仅介绍本设计FPGA中主要的四个模块：PID算法模块、PWM生成模块、死区模块和安全互锁模块。各模块连接框图如图4所示，

图4 FPGA中主要模块连接示意图

本设计中用到的主时钟为10MHz的有源晶振产生的时钟信号进入FPGA后经内部的PLL锁相环倍频至100MHz。

5 仿真与实验波形(略)

图11 主控板实例照片

6 总结

数字化PI的优势在于PI参数修改的方便性，这就使得电源在全负载区间内均能获得良好的性能。 由实际实验波形可看出，本设计获得较好的电流波形。在数字化的主控系统中配合数字化的PWM，就避免了D/A转换环节，也提高了精度。

另外，采用FPGA不仅可以实现数字化的PWM，还可以实现一些所需的数字逻辑的数字电路功能，这就大大减小了控制板的面积和外扩元器件的数量，同时也使得系统的可靠性得以提高。

但是，从设计中也发现数字式PWM控制也存在不足，即数字式PWM以计数器当定时器，因此存在分辨率的问题，数字式PWM的定时器采用数字计数器，即若数字计数器的位数为N（即计数值周期为N+1；计数值周期不含时间概念，只有数值概念），则计数脉冲时钟的频率即为数字PWM的分辨率，而数字式PWM的分辨率就是其占空比可变化的最小值。

用公式表示为：若计数器的计数值周期为N+1，则数字PWM的分辨率为：D=1/(N+1)。模拟式控制时的PWM理论上可以为占空比区间内的任意值，不存在分辨率的问题，而数字式的PWM占空比为离散化的。

一点遗憾是，由于时间的关系，未能将本设计中的模块实现基于WISHBONE标准的SOC电路互连接口规范，否则本设计中的模块可以生成通用IP，适用性更广。

下面则是本设计过程中的一些体会：

综合之前一定要进行仿真，这是因为仿真会暴露不少的逻辑错误,所以建议这样做。如果不做仿真，没有发现的逻辑错误会进入综合器，使综合的结果产生同样的逻辑错误。

阻塞和非阻塞赋值的语言结构是Verilog 语言中最难理解概念之一，本人看到许多相关文献推荐可综合风格的Verilog模块阻塞和非阻塞赋值编程的八个原则，在本设计中严格遵守了它们，深感获益匪浅，在此也推荐出来：

编写实用性强的模块是一件复杂而细致的工作，需要极其认真的工作态度和作风。另外，需要编写testbench对模块性能进行详尽完备的测试，才能保证其可靠性。

对于本系统设计过程中，非常好用的功能是Quatus II软件内嵌的SignalTap II 嵌入式逻辑分析仪。SignalTap II逻辑分析仪在每个器件中支持逻辑分析仪IP函数的多个实例。此特性实现了器件中每个时钟域上单独且唯一的嵌入式逻辑分析仪功能。

在设计时，曾考虑到利用Nios II处理器设计集成性更强的片上可编程系统（SOPC）解决方案，但考虑到FPGA中并不内含A/D模拟部分，必须外加转换芯片。于是本设计选用了含有高速A/D转换的16位单片机作补充，于是就干脆未使用Nios II这个功能强大的内嵌处理器，甚感遗憾。

恰给ALTERA公司一点建议是希望将来能有一款内嵌A/D的FPGA芯片（因为接口部分不可避免存在模拟量输入），这样Nios II内嵌处理器可以真正发挥性能，最终能做到单片片上可编程系统（SSOPC）。

（本文选编自《电气技术》，原文标题为“基于FPGA的数字化逆变电源的嵌入式系统设计”，作者为陈亮、朱伟建等。）

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