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CN112511031B - 一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器及控制方法 - Google Patents

一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于delta‑sigma与PID控制的逆变器及控制方法，属于开关电源领域，逆变器包括：桥式逆变电路，用于将输入的直流信号转换为交流信号；PID外环控制模块，连接桥式逆变电路的输出端，用于对桥式逆变电路的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出；delta‑sigma内环控制模块，连接桥式逆变电路的桥臂中点和PID外环控制模块的输出端，用于对桥臂中点信号和PID外环控制模块输出信号之间的差值进行delta‑sigma调制后输出驱动信号，并根据驱动信号驱动桥式逆变电路的开关管以将直流信号转换为交流信号。delta‑sigma内环控制利用其噪声整形原理有效抑制开关电源死区等误差，加入数字式PID控制抑制输出滤波器导致的误差，调节更为灵活，提升电源的精度和稳定性。

Description

一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器及控制方法
技术领域
本发明属于开关电源领域，更具体地，涉及一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器及控制方法。
背景技术
高精度交流电源在精密制造、精密测量和医疗领域有着重要应用。以光刻机系统为例，工件台和掩模台要求功率放大器在输出大电流的情况下实现高动态和高精度的指标，其中，实现非线性误差小于0.05％的高精度指标是最大难点。传统方案的线性功率放大器由于效率低下，难以实现大功率小体积。开关电源可以解决该问题，但开关电源的死区误差、输出滤波器产生的误差等导致难以实现高精度。由此，如何抑制开关电源死区等误差是本领域技术人员关心的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器及控制方法，其目的在于通过delta-sigma内环控制有效抑制开关电源死区等误差，通过数字式PID控制抑制输出滤波器导致的误差，且调节更为灵活，提升电源的精度和稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器，包括：桥式逆变电路，用于将输入的直流信号转换为交流信号；PID外环控制模块，连接所述桥式逆变电路的输出端，用于对所述桥式逆变电路的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出；delta-sigma内环控制模块，连接所述桥式逆变电路的桥臂中点和所述PID外环控制模块的输出端，用于对桥臂中点信号和所述PID外环控制模块输出信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动信号，并根据所述驱动信号驱动所述桥式逆变电路的开关管以将所述直流信号转换为交流信号。
更进一步地，所述delta-sigma内环控制模块包括积分器、比较器和驱动电路；所述积分器用于对所述差值进行积分，并将积分结果输出至所述比较器；所述比较器用于对所述积分结果和预置参考电压进行比较并生成所述驱动信号；所述驱动电路用于根据所述驱动信号驱动所述桥式逆变电路的开关管。
更进一步地，所述delta-sigma内环控制模块为一阶控制模块或高阶控制模块。
更进一步地，所述比较器为滞回比较器或单限比较器。
更进一步地，所述PID外环控制模块包括隔离采样子模块、数字PID控制子模块、数字隔离子模块和解码子模块；所述隔离采样子模块用于对所述桥式逆变电路的输出端信号进行AD采样；所述数字PID控制子模块用于对所述隔离采样子模块的采样结果与预置正弦信号之间的差值进行PID调节，并将PID调节结果经所述数字隔离子模块传输至所述解码子模块；所述解码子模块用于对所述PID调节结果进行数模转换后输出。
更进一步地，所述数字PID控制子模块为FPGA芯片或DSP芯片。
更进一步地，所述桥式逆变电路为半桥逆变电路或全桥逆变电路，所述桥式逆变电路的输出端连接LC滤波器，所述PID外环控制模块连接所述LC滤波器的输出端。
更进一步地，所述delta-sigma内环控制模块根据所述驱动信号控制所述桥式逆变电路中开关管的开关频率以及占空比。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于delta-sigma与PID的逆变器控制方法，所述逆变器为桥式逆变器，包括：对所述桥式逆变器的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出PID控制信号；对所述桥式逆变器桥臂中点的信号和所述PID控制信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动信号，并根据所述驱动信号驱动所述桥式逆变器的开关管以将直流信号转换为交流信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：通过delta-sigma内环控制利用其噪声整形原理有效抑制开关电源死区等误差，加入PID控制抑制输出滤波器导致的误差，可获得更好的暂态性能与稳态精度，数字式PID控制可以更为灵活地调节输出特性，提升电源的精度和稳定性。
附图说明
图1A为delta-sigma的控制框图；
图1B为delta-sigma的输出伯德图与误差伯德图；
图1C为delta-sigma的噪声整形示意图；
图2为本发明实施例提出的基于delta-sigma与PID控制的逆变器的控制框图示意图；
图3为图2所示控制框图对应的一电路结构示意图；
图4A为delta-sigma+PID控制与现有技术中PWM+PID控制的输入传递函数伯德图对比；
图4B为delta-sigma+PID控制与现有技术中PWM+PID控制的输出电流传递函数伯德图对比；
图4C为delta-sigma+PID控制与现有技术中PWM+PID控制的误差传递函数伯德图对比；
图5为本发明实施例提出的基于delta-sigma与PID控制的逆变器的实验波形图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为桥式逆变电路，2为PID外环控制模块，21为隔离采样子模块，22为数字PID控制子模块，23为数字隔离子模块，24为解码子模块，3为delta-sigma内环控制模块，31为积分器，32为比较器，33为驱动电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图2为本发明实施例提出的基于delta-sigma与比例积分微分(ProportionIntegral Differential，PID)控制的逆变器的控制框图示意图。参阅图2，结合图1A-图5，对本实施例中基于delta-sigma与PID控制的逆变器进行详细说明。
基于delta-sigma与PID控制的逆变器包括桥式逆变电路1、PID外环控制模块2和delta-sigma内环控制模块3。PID外环控制模块2连接桥式逆变电路1的输出端，用于对桥式逆变电路1的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出。delta-sigma内环控制模块3连接桥式逆变电路1的桥臂中点和PID外环控制模块2的输出端，用于对桥臂中点信号和PID外环控制模块2输出信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动信号，并根据驱动信号驱动桥式逆变电路1的开关管，以将桥式逆变电路1输入侧的直流信号转换为交流信号后输出。
delta-sigma的控制框图如图1A所示，K表示积分器增益，可以将K设置为很大的值来保证良好的噪声整形效果。e-sT表示延时环节，T表示延时时间，用于控制delta-sigma的输出变化速率，即控制桥式逆变电路1中的开关频率。物理角度上，输入x(t)在几个调控周期内可近似看作恒定值，输入值与量化输出值相减，积分器对相减结果进行积分，保证积分后的值在小范围内波动，便可实现输出对输入的脉冲等效。从数学角度分析，图1A所示控制框图中，输入信号x(t)的传递函数为：
Figure BDA0002797691200000051
误差信号x(t)的传递函数为：
Figure BDA0002797691200000052
为分析其特性，设置延时T＝10μs，积分器增益K＝105，该参数可保证各开关频率基本相同，此结构的伯德图如图1B所示。参阅图1B，可以看出，输入信号的传递函数表现为低通特性，即输入信号通过delta-sigma调制后很少衰减；误差传递函数则表现为高通滤波属性，即可抑制低频段误差，这被称为噪声整形，如图1C所示。
由此可知，通过delta-sigma内环控制，可利用噪声整形原理有效抑制开关电源死区等误差；但是delta-sigma控制未考虑滤波器效应，因此通过PID控制抑制输出滤波器导致的误差，可获得更好的暂态性能与稳态精度，数字式PID控制使得调节更为灵活。
根据本发明实施例，桥式逆变电路1为半桥逆变电路或全桥逆变电路。以桥式逆变电路1为半桥逆变电路为例，其结构如图3所示，该结构中，半桥电路由两个开关管以及原边直流稳压电容C2和C3组成，通过交替控制这两个开关管的通断来实现逆变功能。桥式逆变电路1的输出端连接LC滤波器，LC滤波器由图2及图3中示出的电感L和电容C组成。PID外环控制模块2连接LC滤波器的输出端。
根据本发明实施例，delta-sigma内环控制模块3包括积分器31、比较器32和驱动电路33。积分器31用于对上述差值进行积分，并将积分结果输出至比较器32。比较器32用于对积分器31输出的积分结果和预置参考电压进行比较并生成驱动信号，并将驱动信号输出值驱动电路33。驱动电路33用于根据驱动信号驱动桥式逆变电路1的开关管，使得桥式逆变电路1将其输入侧的直流信号转换为交流信号。
积分器31可设计为理想积分器或有损积分器，可以为一阶积分器或高阶积分器，从而使得delta-sigma内环控制模块3实现相应的一阶控制或高阶控制。比较器32为滞回比较器或单限比较器。
以积分器31由运算放大器组成，比较器为由两个比较器、基准源和SR锁存器组成的滞回比较器，驱动电路33为驱动芯片为例，形成的delta-sigma内环控制模块3如图3所示。其控制过程为：通过电阻R3从桥式逆变电路桥臂中点处采样，与模拟解码后的信号相减，积分器对相减差值进行积分处理后输出至滞回比较器输入端，滞回比较器将积分结果与其两个阈值High_ref和Low_ref相比以产生高低电平信号，驱动芯片根据该高低电平信号控制开关管便可实现负反馈。
根据本发明实施例，PID外环控制模块2包括隔离采样子模块21、数字PID控制子模块22、数字隔离子模块23和解码子模块24。隔离采样子模块21用于对桥式逆变电路1的输出端信号进行AD采样。数字PID控制子模块22用于对隔离采样子模块21的采样结果与预置正弦信号之间的差值进行PID调节，并将PID调节结果经数字隔离子模块23传输至解码子模块24。解码子模块24用于对PID调节结果进行数模转换后输出。数字PID控制子模块22为FPGA芯片或DSP芯片，上述预置正弦信号是指FPGA芯片或DSP芯片中的数字正弦波。利用FPGA或DSP实现PID控制与通信。
以隔离采样子模块21为AD7405隔离采样芯片、数字PID控制子模块22为FPGA控制、解码子模块24为9038数模转换芯片为例，形成的PID外环控制模块2如图3所示。其控制过程为：AD7405从LC滤波器输出侧采样输出电压，利用FPGA调节PID控制参数，实现PID控制与通信，经隔离后送入9038数模转换芯片，得到模拟信号，并将该模拟信号输入至delta-sigma内环控制模块的输入端，即输入至积分器31，由此便可将输出滤波器引入反馈控制中。
根据本发明实施例，delta-sigma内环控制模块3根据delta-sigma内环控制模块3输出的驱动信号控制桥式逆变电路1中各开关管的开关频率以及占空比，使得桥式逆变电路1将输入侧的直流信号转换为交流信号。
图4A-4C示出了本实施例delta-sigma+PID控制与现有技术PWM+PID控制的控制效果对比图。参阅图4A，可以看出，delta-sigma控制与PWM一样在加入PID控制后，其输入到输出的频率响应变得更加平坦；参阅图4B，可以看出，delta-sigma控制与PWM一样在加入PID控制后，输出电流对输出电压的误差被有效抑制，并且消除了谐振尖峰；参阅图4C，可以看出，delta-sigma+PID控制没有误差的谐振尖峰，与开环PWM、PWM+PID或delta-sigma控制相比，具备更优的误差抑制性能；由此表明，delta-sigma+PID控制较传统的PWM与PWM+PID，具备更好的误差抑制能力，较单纯的delta-sigma控制，可更好的抑制误差，并且可抑制输出电流导致的影响，滤波器造成的谐振尖峰也可进行抑制，理论上可认为具备最好的高精度潜力。参阅图5，可以看出，本实施例中delta-sigma+PID控制可以将总谐波失真降低至0.145％，具有很好的控制效果。
本发明还提供了一种基于delta-sigma与PID的逆变器控制方法，用于控制桥式逆变器，方法包括：对桥式逆变器的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出PID控制信号；对桥式逆变器桥臂中点的信号和PID控制信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动信号，并根据驱动信号驱动桥式逆变器的开关管以将直流信号转换为交流信号。
本实施例中，基于delta-sigma与PID的逆变器控制方法与图1A-图5所示实施例中基于delta-sigma与PID控制的逆变器的工作过程及原理相同，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，包括：
桥式逆变电路(1)，用于将输入的直流信号转换为交流信号；
PID外环控制模块(2)，连接所述桥式逆变电路(1)的输出端，用于对所述桥式逆变电路(1)的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出；
delta-sigma内环控制模块(3)，连接所述桥式逆变电路(1)的桥臂中点和所述PID外环控制模块(2)的输出端，用于对桥臂中点信号和所述PID外环控制模块(2)输出信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动信号，并根据所述驱动信号驱动所述桥式逆变电路(1)的开关管以将所述直流信号转换为交流信号。
2.如权利要求1所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述delta-sigma内环控制模块(3)包括积分器(31)、比较器(32)和驱动电路(33)；
所述积分器(31)用于对所述差值进行积分，并将积分结果输出至所述比较器(32)；所述比较器(32)用于对所述积分结果和预置参考电压进行比较并生成所述驱动信号；所述驱动电路(33)用于根据所述驱动信号驱动所述桥式逆变电路(1)的开关管。
3.如权利要求2所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述delta-sigma内环控制模块(3)为一阶控制模块或高阶控制模块。
4.如权利要求2所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述比较器(32)为滞回比较器或单限比较器。
5.如权利要求1所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述PID外环控制模块(2)包括隔离采样子模块(21)、数字PID控制子模块(22)、数字隔离子模块(23)和解码子模块(24)；
所述隔离采样子模块(21)用于对所述桥式逆变电路(1)的输出端信号进行AD采样；所述数字PID控制子模块(22)用于对所述隔离采样子模块(21)的采样结果与预置正弦信号之间的差值进行PID调节，并将PID调节结果经所述数字隔离子模块(23)传输至所述解码子模块(24)；所述解码子模块(24)用于对所述PID调节结果进行数模转换后输出。
6.如权利要求5所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述数字PID控制子模块(22)为FPGA芯片或DSP芯片。
7.如权利要求1所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述桥式逆变电路(1)为半桥逆变电路或全桥逆变电路，所述桥式逆变电路(1)的输出端连接LC滤波器，所述PID外环控制模块(2)连接所述LC滤波器的输出端。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于delta-sigma与PID控制的逆变器，其特征在于，所述delta-sigma内环控制模块(3)根据所述驱动信号控制所述桥式逆变电路(1)中开关管的开关频率以及占空比。
9.一种基于delta-sigma与PID的逆变器控制方法，所述逆变器为桥式逆变器，其特征在于，包括：
对所述桥式逆变器的输出端信号依次进行AD采样、数字PID控制和数模转换处理后输出PID控制信号；
对所述桥式逆变器桥臂中点的信号和所述PID控制信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动信号，并根据所述驱动信号驱动所述桥式逆变器的开关管以将直流信号转换为交流信号。
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