[发明专利]瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源

权利要求书

1.一种瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源，其特征在于：

逆变器(2)的控制端与微处理器(1)相接，逆变器(2)的输出端与电压传感器(5)的输入端及负载(3)相接，逆变器(2)中引出的电流与电流传感器(6)的输入端相接，逆变器(2)直流端与直流电源(4)相连，电压传感器(5)的输出端和电流传感器(6)的输出端分别与微处理器(1)相接；

所述微处理器(1)包括电压PID数字控制器(7)、电流PI数字控制器(8)和第一、第二减法器(9，10)，电流PI数字控制器(8)的输出端与逆变器(2)的控制端相接，电压传感器(5)的输出端与第一减法器(9)的负输入端相接，第一减法器(9)的正输入端接收参考量u_r，第一减法器(9)的输出端与电压PID数字控制器(7)的输入端相接，电流传感器(6)的输出端与第二减法器(10)的负输入端相接，第二减法器(10)的正输入端与电压PID数字控制器(7)的输出端相接，第二减法器(10)的输出端与电流PI数字控制器(8)的输入端相接：微处理器(1)按照下述步骤进行控制：

第1步采集电压传感器得到的当前拍的输出电压u_o(k)和电流传感器得到的当前拍的电流i(k)，且当前拍电流i(k)为滤波电感电流i₁或滤波电容电流i_c，其中，采样周期T称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0；

第2步按照第2.1步至第2.4步的过程计算下一拍的控制信号u₁(k+1)：

第2.1步利用公式Ⅰ计算当前拍的电压误差信号e₁(k)，其中u_r(k)为当前拍的参考量：

e₁(k)＝u_r(k)-u_o(k)    Ⅰ

第2.2步利用公式Ⅱ计算当前拍的电流给定信号u_ir(k)：

u_ir(k)＝[k_vp+k_viTz/(z-1)+k_vd(z-1)/(Tz)]e₁(k) Ⅱ

其中k_vp、k_vi、k_vd分别为电压PID数字控制器的比例、积分、微分系数；z为离散域算子；

第2.3步利用公式Ⅲ计算当前拍的电流误差信号e₂(k)，当采集的电流信号i为滤波电感电流i₁时，i(k)为当前拍的滤波电感电流i₁(k)；当采集的电流信号i为滤波电容电流i_c时，i(k)为当前拍的滤波电容电流i_c(k)：

e₂(k)＝u_ir(k)-i(k)    Ⅲ

第2.4步利用公式Ⅳ计算下一拍的控制信号u₁(k+1)，然后转入第3步：

u₁(k+1)＝[k_ip+k_iiTz/(z-1)]e₂(k)Ⅳ

其中，k_ip、k_ii分别为电流PI数字控制器的比例、积分系数，z为离散域算子；

k_ip、k_vd、k_ii、k_vp、k_vi按照下述公式计算获得：

k_ip＝k₅

k_vd＝-k₄·T/k₅

k_ii为方程的实根；

k_vp＝[k₁+k₄+(k₄·T/k₅-C)k_ii]/k₅，

k_vi＝k₃/k_ii

其中，C为逆变器输出的总滤波电容，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅利用逆变器状态方程离散化后的状态矩阵和输入矩阵，以及离散域期望闭环极点矩阵计算得到；

第3步利用下一拍的控制信号u₁(k+1)对逆变器进行控制；

第4步令k＝k+1，重复第1步～第3步，直至关机。

2.一种瞬时电压PID电流PI数字控制的逆变电源其特征在于：

逆变器(2)的控制端与微处理器(1)相接，逆变器(2)的输出端与电压传感器(5)的输入端及负载(3)相接，逆变器(2)中引出的电流与电流传感器(6)的输入端相接，逆变器(2)直流端与直流电源(4)相连，电压传感器(5)的输出端和电流传感器(6)的输出端分别与微处理器(1)相接；

所述微处理器(1)包括电压PID数字控制器(7)、电流PI数字控制器(8)和第一、第二减法器(9，10)，电流PI数字控制器(8)的输出端与逆变器(2)的控制端相接，电压传感器(5)的输出端与第一减法器(9)的负输入端相接，第一减法器(9)的正输入端接收参考量u_r，第一减法器(9)的输出端与电压PID数字控制器(7)的输入端相接，电流传感器(6)的输出端与第二减法器(10)的负输入端相接，第二减法器(10)的正输入端与电压PID数字控制器(7)的输出端相接，第二减法器(10)的输出端与电流PI数字控制器(8)的输入端相接；

微处理器(1)还包括状态观测器(11)和扰动观测器(12)，状态观测器(11)的输入端分别与电流传感器(6)和电压传感器(5)的输出端相连，扰动观测器(12)的输入端与电流传感器(6)的输出端相连：微处理器(1)按照下述步骤进行控制：

第1步采集电压传感器得到的当前拍的输出电压u_o(k)和电流传感器得到的当前拍的电流i(k)，且当前拍电流i(k)为负载电流i_o，其中，采样周期T称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0；

第2步按照第2.1步至第2.6步的过程计算下一拍的控制信号u₁(k+1)：

第2.1步利用公式V计算下一拍的输出电压观测值和下一拍的滤波电感电流观测值其中u₁(k)为当前拍的控制信号，i₀(k)为当前拍的负载电流：

u^0(k+1)i^i(k+1)=(As-HsCs)u^0(k)i^1(k)+Bsu1(k)i0(k)+HsCsu0(k)i1(k)---V]]>

As=e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT1Cωde-r2LTsinωdT-1Lωde-r2LTsinωdTe-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT=φ11φ12φ21φ22]]>

B_s＝[B₁ B₂]

B1=e-r2LT(-cosωdT-r2LωdsinωdT)+11Lωde-r2LTsinωdT=b11b21]]>

B2=r(e-r2LTcosωdT+r2Lωde-r2LTsinωdT-1)-1Cωde-r2LTsinωdT-e-r2LTcosωdT-r2Lωde-r2LTsinωdT+1=b12b22]]>

C_s＝[1 0]

为逆变器的自然振荡频率

为逆变器的阻尼振荡频率

其中L为逆变器输出的总滤波电感，C为逆变器输出的总滤波电容，r为逆变器的等效阻尼电阻；H_s为状态观测器的反馈增益矩阵，按照(A_s-H_sC_s)的特征值比逆变器的闭环特征值快3倍以上的原则选择反馈增益矩阵H_s；

第2.2步利用公式Ⅵ计算下一拍的负载电流观测值

i.^o(k+1)i^o(k+1)=(Ad-HdCd)i.^o(k)i^o(k)+HdCdi.o(k)io(k)---VI]]>

Ad=10T1]]>

C_d＝[0  1]

H_d为扰动观测器的反馈增益矩阵，按照(A_d-H_dC_d)的特征值比逆变器的闭环特征值快5倍以上的原则选择反馈增益矩阵H_d；

第2.3步利用公式Ⅶ计算下一拍的电压误差信号观测值其中u_r(k+1)为下一拍的参考量：

e^1(k+1)=ur(k+1)-u^0(k+1)---VII]]>

第2.4步当无负载电流前馈时，利用公式Ⅷ计算下一拍的电流给定信号u_ir(k+1)，当有负载电流前馈时，利用公式Ⅸ计算下一拍的电流预给定信号u_ir1(k+1)：

uir(k+1)=[kvp+kviTz/(z-1)+kvd(z-1)/(Tz)]e^1(k+1)---VIII]]>

uir1(k+1)=[kvp+kviTz/(z-1)+kvd(z-1)/(Tz)]e^1(k+1)+i^o(k+1)---IX]]>

下一拍的电流预给定信号u_ir1(k+1)经过限幅后为下一拍的电流给定信号u_ir(k+1)；其中k_vp、k_vi、k_vd分别为电压PID数字控制器的比例、积分、微分系数；z为离散域算子；

第2.5步利用公式Ⅹ计算下一拍的电流误差信号e₂(k+1)，其中，当无负载电流前馈时，下一拍的电流观测值为下一拍的滤波电感电流观测值或下一拍的滤波电容电流观测值当有负载电流前馈时，下一拍的电流观测值为下一拍的滤波电感电流观测值

e2(k+1)=uir(k+1)+i^(k+1)---X]]>

第2.6步利用公式Ⅺ计算下一拍的控制信号u₁(k+1)：

u₁(k+1)＝[k_ip+k_iiTz/(z-1)]e₂(k+1)   Ⅺ

其中，k_ip、k_ii分别为电流PI数字控制器的比例、积分系数，z为离散域算子；

k_ip、k_vd、k_ii、k_vp、k_vi按照下述公式计算获得：

k_ip＝k₅

k_vd＝-k₄·T/k₅

k_ii为方程的实根；

k_vp＝[k₁+k₄+(k₄·T/k₅-C)k_ii]/k₅，

k_v＝k₃/k_ii

其中，C为逆变器输出的总滤波电容，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅利用逆变器状态方程离散化后的状态矩阵和输入矩阵，以及离散域期望闭环极点矩阵计算得到；

第3步利用第2步计算得到的下一拍的控制信号u₁(k+1)对逆变器进行控制；

第4步令k＝k+1，重复第1步～第3步，直至关机。