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CN116073687B - 一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源 - Google Patents

一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源 Download PDF

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CN116073687B CN202310181318.3A CN202310181318A CN116073687B CN 116073687 B CN116073687 B CN 116073687B CN 202310181318 A CN202310181318 A CN 202310181318A CN 116073687 B CN116073687 B CN 116073687B
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Abstract

本发明属于功率变换电路技术领域，具体涉及的是一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源。一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，包括：滞后PID运算电路、滞后运算电路、SPWM产生电路、PD运算电路和电压采样电路，所述的滞后PID运算电路的输出端依次电性连接滞后运算电路、SPWM产生电路和逆变电源的输入端，逆变电源的输出端电性连接电压采样电路，电压采样电路分别电性连接滞后PID运算电路的输入端和PD运算电路，PD运算电路电性连接滞后运算电路的输入端。本发明采用电容电流内环、瞬时电压外环的双环控制，对控制环路进行特别设计，具有输出频带宽，动态响应跟随性好，可广泛应用于各类交流电源供电系统。

Description

一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源
技术领域
本发明属于功率变换电路技术领域，具体涉及的是一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源。
背景技术
随着交流电源应用场合越来越广，人们对其输出频率范围的要求也越来越宽，并且还需要不同负载下具有很快的响应速度。为此，提出一种宽频带逆变电源的模拟控制环路就显得尤为重要。
宽频带模拟控制方式具有方法简单、便于实现、传输失真度低和可靠性高等优点。传统的逆变电源大多数采用单环控制系统，以瞬时电压作为被控量，控制输出电压，其动态特性特别是非线性负载的时候，输出波形较为不理想，特别是对于交流电源要求较高的场合，很难保证系统的动态特性和稳态精度问题。
现有逆变电源的双环控制系统，在电压外环的基础上引入电感电流内环，通过电感电流内环改善逆变电源的动态性能，虽然对电流波形能够控制，具有较强的抗短路能力，但外特性相对较软，动态响应相对较慢，且会增加系统扰动，受负载影响相对较大，随着负载加重，输出频率带宽也会随之降低，严重限制了交流电源在高频范围内的应用。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源。本发明所采用的技术方案如下：
一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，包括：滞后PID运算电路、滞后运算电路、SPWM产生电路、PD运算电路和电压采样电路，所述的滞后PID运算电路的输出端依次电性连接滞后运算电路、SPWM产生电路和逆变电源的输入端，逆变电源的输出端电性连接电压采样电路，电压采样电路分别电性连接滞后PID运算电路的输入端和PD运算电路，PD运算电路电性连接滞后运算电路的输入端。滞后运算电路对滞后PID运算电路与PD运算电路的输出信号作差得到误差信号，并将误差信号送入SPWM产生电路，SPWM产生电路产生SPWM信号控制逆变电源输出。
优选的，所述的滞后PID运算电路由电阻R1~R7、电容C1~C3和运放OP1组成；电阻R1一端为给定信号Usin输入，电阻R1另一端与电容C1一端相连组成串联结构，电容C1另一端同运放OP1的输入负端相连，电阻R2一端和电阻R1一端相连，电阻R2另一端同运放OP1的输入负端相连；电阻R3一端为电压反馈信号Uf输入，电阻R3另一端与电容C2一端相连组成串联结构，电容C2另一端同运放OP1的输入负端相连，电阻R4一端和电阻R3一端相连，电阻R4另一端同运放OP1输入负端相连；电阻R6一端接地，电阻R6另一端和运放OP1同相端的正端相连；电阻R5一端和运放OP1的负输入端相连，电阻R5另一端同电容C3的一端相连，电容C3另一端同运放OP1输出端相连，电阻R5和电容C3组成串联结构，电阻R7一端同电阻R5的一端相连，电阻R7另一端同电容C3另一端相连。
优选的，假定电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别为R1’、R2’、R3’、R4’，则电阻R1的阻值选择满足
Figure SMS_1
，电阻R3的阻值选择满足
Figure SMS_2
。
优选的，所述的PD运算电路由电阻R9~R12、电容C4及运放OP2组成；电阻R9一端接地，电阻R9另一端同运放OP2的正输入端相连，电阻R10一端为电压反馈信号Uf 输入，电阻R10另一端同运放OP2的负输入端相连，电阻R11一端同运放OP2的负输入端相连，电阻R11另一端同电容C4和电阻R12的交点相连，电容C4的另一端接地，电阻R12另一端同运放OP2输出端相连。
优选的，所述的滞后运算电路由电阻R8、R13~R16、电容C5和运放OP3组成；电阻R13一端同运放OP2的输出端相连，电阻R13另一端连接运放OP3的负相输入端；电阻R8一端为滞后PID运算电路的输出误差信号UGi输入，电阻R8另一端同运放OP3的负相输入端相连；电阻R14一端同运放OP3的负输入端相连，电阻R14另一端同电容C5一端相连，电容C5另一端同运放OP3的输出端相连，电阻R14和电容C5组成串联连接，电阻R15一端同电阻R14一端相连，电阻R15另一端和运放OP3的输出端相连。
本发明的有益效果：
宽频带逆变电源输出交流信号，经过电压采样电路后共分为两部分。其一，将反馈输出电压信号送给滞后PID运算电路（即瞬时电压外环），同给定信号进行作差，并将误差信号送入滞后运算电路（即电容电流内环）；其二，反馈输出电压信号经过PD运算电路微分成电容电流信号，并将其送入滞后运算电路，滞后运算电路对滞后PID运算电路与PD运算电路的输出信号进行作差，得到误差信号，并将误差信号送入SPWM产生电路，SPWM产生电路产生SPWM信号进而控制逆变电源输出，实现整个逆变电源的闭环控制。本发明采用电容电流内环、瞬时电压外环的双环控制，具有动态响应快、外特性硬、稳态精度高和输出频率宽等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的逆变电源的控制原理框图。
图2为本发明实施例的滞后PID运算电路的结构示意图。
图3为本发明实施例的PD运算电路和滞后运算电路的结构示意图。
图4为本发明实施例的SPWM产生电路的结构示意图。
图5为现有技术中的不含滞后环节的PID电路的原理示意图。
图6为本发明实施例与现有技术两种PID运算电路的幅频特性曲线示意图。
图7为本发明实施例的PD运算电路的幅频特性曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，为本发明实施例的逆变电源的控制原理框图。一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，包括：滞后PID运算电路、滞后运算电路、SPWM产生电路、PD运算电路和电压采样电路。
如图2所示，为本发明实施例的滞后PID运算电路的结构示意图。结合附图1，滞后PID运算电路用于实现瞬时电压外环控制，滞后PID运算电路的输入分别为电压给定信号Usin和电压反馈信号Uf ，滞后PID运算电路的输出误差信号UGi送入滞后运算电路，作为滞后运算电路的给定量。所述的滞后PID运算电路由电阻R1~R7、电容C1~C3和运放OP1组成。电阻R1一端为给定信号Usin输入，电阻R1另一端与电容C1一端相连组成串联结构，电容C1另一端同运放OP1的输入负端相连，电阻R2一端和电阻R1一端相连，电阻R2另一端同运放OP1的输入负端相连，即：电阻R1和电容C1串联后与电阻R2进行并联；电阻R3一端为电压反馈信号Uf输入，电阻R3另一端与电容C2一端相连组成串联结构，电容C2另一端同运放OP1的输入负端相连，电阻R4一端和电阻R3一端相连，电阻R4另一端同运放OP1输入负端相连，即：电阻R3和电容C2串联后与电阻R4进行并联；电阻R6一端接地，电阻R6另一端和运放OP1同相端的正端相连；电阻R5一端和运放OP1的负输入端相连，电阻R5另一端同电容C3的一端相连，电容C3另一端同运放OP1输出端相连，电阻R5和电容C3组成串联结构，电阻R7一端同电阻R5的一端相连，电阻R7另一端同电容C3另一端相连，即：电阻R5和电容C3串联后与电阻R7进行并联。运放OP1将电压给定信号Usin和电压反馈信号Uf作差，输出误差信号UGi。采用该滞后PID电路，相对传统PID电路增加了一个极点，能够抑制低频增益，避免低频段因增益过高导致输出电压过冲。
滞后PID运算电路中，假定电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别为R1’、R2’、R3’、R4’，则电阻R1的阻值选择应满足
Figure SMS_3
，电阻R3的阻值选择应满足
Figure SMS_4
。采用该阻值设计方法，提高了系统动态响应速度，同时，又能避免动态变化过程中输出电压的过冲畸变。
如图3所示，为本发明实施例的PD运算电路和滞后运算电路的结构示意图，其中3为PD运算电路，4为滞后运算电路。PD运算电路和滞后运算电路用于实现电容电流内环控制。结合附图1，PD运算电路的输入信号为电压反馈信号Uf ，滞后PID运算电路的输出误差信号UGi送入滞后运算电路，作为内环控制的给定量。
PD运算电路由电阻R9~R12、电容C4及运放OP2组成。电阻R9一端接地，电阻R9另一端同运放OP2的正输入端相连，电阻R10一端为电压反馈信号Uf 输入，电阻R10另一端同运放OP2的负输入端相连，电阻R11一端同运放OP2的负输入端相连，电阻R11另一端同电容C4和电阻R12的交点相连，电容C4的另一端接地，电阻R12另一端同运放OP2输出端相连。PD运算电路将反馈输出电压信号Uf微分成电容电流信号IC。采用PD运算电路将电压微分成电容电流其外特性比较硬，可提高系统的抗干扰性，并能避免因增益过高导致系统不稳定。
滞后运算电路由电阻R8、R13~R16、电容C5和运放OP3组成。电阻R13一端同运放OP2的输出端相连，电阻R13另一端连接运放OP3的负相输入端；电阻R8一端为滞后PID运算电路的输出误差信号UGi输入，电阻R8另一端同运放OP3的负相输入端相连；电阻R14一端同运放OP3的负输入端相连，电阻R14另一端同电容C5一端相连，电容C5另一端同运放OP3的输出端相连，电阻R14和电容C5组成串联连接，电阻R15一端同电阻R14一端相连，电阻R15另一端和运放OP3的输出端相连，即：电阻R14和电容C5串联后与电阻R15进行并联。滞后运算电路将滞后PID运算电路的输出误差信号UGi与电容电流信号IC作差，得到误差信号Ucomp，并且将Ucomp送入SPWM产生电路。该滞后运算电路可避免因电容电流过冲，导致系统不稳定，有利于提高系统可靠性。
如图4所示，为本发明实施例的SPWM产生电路的结构示意图。SPWM产生电路由比较器COMP1~COMP2、施密特反向器ST1~ST4、电阻R17~R20、二极管D1~D2及电容C6~C7组成。比较器COMP1负输入端接三角波信号，正端接内环输出UGi,输出端接上拉电阻R19的一端，R19另一端连接电源VCC；施密特反向器ST2输入端接比较器COMP1输出，施密特反向器ST2输出端接二极管D1阴极及电阻R17的一端，二极管D2阳极接和电阻R17另一端相连，即电阻R17和二极管D1并联，电容C6一端接地，另一端同D1阳极相连并接入施密特反向器ST3，其ST3输出经过两路隔离分别产生驱动信号SPWM1和SPWM2。施密特反相器ST1输入接三角波，输出同比较器COMP2负端相连，比较器COMP2正端同内环输出UGi相连,输出端接上拉电阻R20的一端，R20另一端连接电源VCC；二极管D2阴极接比较器COMP2输出，并与电阻R18一端相连，二极管D2阳极与电阻R18另一端相连，即R18和D2并联，电容C7一端接地，另一端同二极管D2阳极相连，并作为施密特反向器ST4的输入，其施密特反相器输出经过两路隔离分别产生SPWM3和SPWM4，隔离采用脉冲变压器进行隔离。
本发明实施例中，所述的电压采样电路为差分采样电路。
本发明实施例中，所述的SPWM产生电路、电压采样电路均为现有技术，采用常规的电路结构即可。
瞬时电压外环控制为滞后PID运算电路，如图2所示，将瞬时电压外环控制分为1和2两部分，假设第二部分的等效阻抗为Z2，则瞬时电压外环控制传递函数为：
Figure SMS_5
（1）
其中：
Figure SMS_6
（2）
Figure SMS_7
（3）
Figure SMS_8
（4）
PD运算电路的传递函数为：
Figure SMS_9
（5）
其中：
Figure SMS_10
（6）
Figure SMS_11
（7）
现有技术中，普通PID运放电路的结构如图5所示，同样将外环分为5和6两部分，假设第二部分等效阻抗为Z2，则外环传递函数为：
Figure SMS_12
（8）
其中：
Figure SMS_13
（9）
Figure SMS_14
（10）
公式（1）、（5）、（8）的传递函数中的“s”为频域变量。
根据式（1）和式（8）对比发现，本发明的滞后PID运算将普通PID运算的极点从零处进行相应往后平移，有利于保持低频增益恒定，防止输出电压或者负载突变导致增益在低频的过大，更有利于输出波形在动态过程中的跟随，具体幅频特性曲线如图6所示。
本发明实施例中，采用PD运算电路将反馈电压微分得到电容电流，避免纯微分电路在转折频率点之前的增益为负值。根据传递函数绘制其幅频特性曲线如图7所示，其转折频率为，实现了从0到转折频率之间为恒定正增益。
本发明实施例中，未详细描述的技术特征均为现有技术或者常规技术手段，在此不再赘述。
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，其特征在于，包括：滞后PID运算电路、滞后运算电路、SPWM产生电路、PD运算电路和电压采样电路，所述的滞后PID运算电路的输出端依次电性连接滞后运算电路、SPWM产生电路和逆变电源的输入端，逆变电源的输出端电性连接电压采样电路，电压采样电路分别电性连接滞后PID运算电路的输入端和PD运算电路，PD运算电路电性连接滞后运算电路的输入端；滞后运算电路对滞后PID运算电路与PD运算电路的输出信号作差得到误差信号，并将误差信号送入SPWM产生电路，SPWM产生电路产生SPWM信号控制逆变电源输出。
2.根据权利要求1所述的一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，其特征在于，所述的滞后PID运算电路由电阻R1~R7、电容C1~C3和运放OP1组成；电阻R1一端为给定信号Usin输入，电阻R1另一端与电容C1一端相连组成串联结构，电容C1另一端同运放OP1的输入负端相连，电阻R2一端和电阻R1一端相连，电阻R2另一端同运放OP1的输入负端相连；电阻R3一端为电压反馈信号Uf输入，电阻R3另一端与电容C2一端相连组成串联结构，电容C2另一端同运放OP1的输入负端相连，电阻R4一端和电阻R3一端相连，电阻R4另一端同运放OP1输入负端相连；电阻R6一端接地，电阻R6另一端和运放OP1同相端的正端相连；电阻R5一端和运放OP1的负输入端相连，电阻R5另一端同电容C3的一端相连，电容C3另一端同运放OP1输出端相连，电阻R5和电容C3组成串联结构，电阻R7一端同电阻R5的一端相连，电阻R7另一端同电容C3另一端相连。
3.根据权利要求2所述的一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，其特征在于，假定电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别为R1’、R2’、R3’、R4’，则电阻R1的阻值选择满足
Figure QLYQS_1
，电阻R3的阻值选择满足
Figure QLYQS_2
。
4.根据权利要求1所述的一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，其特征在于，所述的PD运算电路由电阻R9~R12、电容C4及运放OP2组成；电阻R9一端接地，电阻R9另一端同运放OP2的正输入端相连，电阻R10一端为电压反馈信号Uf 输入，电阻R10另一端同运放OP2的负输入端相连，电阻R11一端同运放OP2的负输入端相连，电阻R11另一端同电容C4和电阻R12的交点相连，电容C4的另一端接地，电阻R12另一端同运放OP2输出端相连。
5.根据权利要求1所述的一种带模拟控制环路的宽频带逆变电源，其特征在于，所述的滞后运算电路由电阻R8、R13~R16、电容C5和运放OP3组成；电阻R13一端同运放OP2的输出端相连，电阻R13另一端连接运放OP3的负相输入端；电阻R8一端为滞后PID运算电路的输出误差信号UGi输入，电阻R8另一端同运放OP3的负相输入端相连；电阻R14一端同运放OP3的负输入端相连，电阻R14另一端同电容C5一端相连，电容C5另一端同运放OP3的输出端相连，电阻R14和电容C5组成串联连接，电阻R15一端同电阻R14一端相连，电阻R15另一端和运放OP3的输出端相连。
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Denomination of invention: A broadband inverter power supply with analog control loop

Effective date of registration: 20231218

Granted publication date: 20230609

Pledgee: China Merchants Bank Co.,Ltd. Jinan Branch

Pledgor: Shandong Ainuo Intelligent Instrument Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980072046

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