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基于卡尔曼滤波器的逆变器控制研究

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第37卷第5期 现代雷达 Vo1.37 No.5 2015年5月 Modem Radar Mav 2015 ・电源技术・ 中图分类号:TN713 文献标志码:A 文章编号:1004—7859(2015)05—0079—05 基于卡尔曼滤波器的逆变器控制研究 张 磊 (海军驻南京地区电子设备军事代表室, 南京210039) 摘要:传统的基于数字PID(比例一积分一微分)控制的逆变器由于测量噪声、系统噪声和控制误差等导致了系统性能的下 降。文中提出一种基于卡尔曼滤波器的电压电流双环PID数字控制方式,有效地抑制了系统中的测量噪声、系统噪声和 控制误差,响应速度快,系统稳定性好。实验结果表明:在系统存在均值为0,方差为0.1的高斯白噪声仿真环境下,该基 于卡尔曼滤波器的控制器有较高的抗干扰能力,能有效降低逆变器输出波形的总谐波失真。 关键词:逆变器;电压电流双环PID数字控制;卡尔曼滤波器;总谐波失真 A Study of Inverter Control Based on Kalman Filter ZHANG Lei (Naval Representative Ofifce for Military Facilities in Nanjing Area, Nanjing 210039,China) Abstract:The inverter with the traditional digital PID control may cause system performance degradation due to the measurement noise,system noise and control error etc.This paper presents a voltage and current double—loop diigtla PID control algorithm based on Kalman filter which can innovatively filter the noise from measure ment and system process.This method speeds up the system response and improves system stability.In the test condition of the Gaussian white noise with the zero mean and 0.1 variance,the test results show that the Kalman filter・-based controller has a high anti-・interference ability and can effectively reduce the totla har- monic distortion of the inverter output waveform. Key words:voltage inverter;voltage and current double—loop PID digital control;Kalman filter;totla harmonic distortion 0 引 言 变器输出波形的THD值。 传统逆变器受测量噪声、系统噪声和控制误差等 影响,输出电能质量逐渐不满足应用要求¨ J。随着 1 单相电压型逆变器数学模型 数字技术和微处理器在正弦脉宽调制(Sinusoidal 为了方便控制器的设计,本文建立一个单相电压 Pulse Width Modulation,SPWM)逆变技术中的应用, 型SPWM逆变器数学模型,逆变器主电路全桥逆变电 采用一定算法来提高逆变器稳定性的数字控制方法越 路拓扑结构如图1a)所示。输入直流母线电压为u , 来越广泛。其中,数字比例一积分一微分(Proportion In— 输出交流电压峰峰值为Uo,VT1和VT4为一对桥臂, tegration Differentiation,PID)控制就是被业界广泛运 VT2和V 为另外一对,成对的桥臂在SPWM波控制 用的数字化控制策略 J。但逆变器采用传统数字 下同时导通,交替各导通180。,故输出电压峰峰值Vo= PID控制算法也存在一定的局限性:系统的采样量化 2Ud。由于功率开关器件的存在,逆变器本质上是一 误差降低了算法的控制精度,控制器的参数难以自动 个非线性系统,其动态特性主要由LC滤波器和负载 调整,噪声的干扰会严重影响输出波形的质量,导致总 所决定。故忽略电容的等效串联电阻,假设电感等效 谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)的偏高。 串联内阻为r,假设负载为纯阻性负载,可以得到单相 卡尔曼滤波器是一种最优化自回归数据处理算 电压型SPWM逆变器的状态模型电路,如图1b)所示。 法,它能够从包含噪声的系统中估计系统动态的状态, 由全桥电路输出的SPWM信号 和滤波器输出 被广泛应用于机器人导航、传感器数据融合、雷达系统 信号 之间的传递函数为 及导航追踪等领域 J,但尚未有报道将卡尔曼滤波器 1 用于逆变器中。本文提出了一种基于卡尔曼滤波器的 )= Vo(s__2。 1/ R+C s= PID数字控制方法,来提高逆变器抗干扰能力,降低逆 、/R+Cs 一 。 1 通信作者:张磊 Email:geiyige@sina.com 收稿日期:2014—11-13 修订日期:2015-02-14 c +(L/R+rC)s+1+r/ .---——79----—— 现代雷达 a)全桥逆变电路拓扑结构 r L b)单相唾姬_型SPWIvl逆变器 惋冬糗型电路 图1全桥逆变电路 2 传统电流内环电压外环双环PID控制建模 2.1 PID控制算法 PID控制算法是最成熟的数控算法之一,它由比 例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成O PID 控制算法的表达式为 u㈤=Kp )+ ( )d + ](2) 式中:K。为控制器的比例系数;= 一  为控制器的积分时 间; 为微分时间;l/ — e(t)为信号;u(t)为控制输入信号。 对式(2)进行拉普拉斯变换,o 7 .竖 +l + 可求得传递函数为 )= K— =Kp[1+ 1 ]= +惫+ (3) 式中: 为积分系数; 为微分系数。 1 i ‘ 2.2 电流内环电压外环双环PID反馈控制 本文电流内环采用P控制器,电压外环采用PI控 制器,根据逆变器传递函数式(1)可以得到逆变器的 等效逻辑,再结合PID控制器传递函数式(3),可以得 到整个双环控制系统的逻辑框图如图2所示。 图2双环控制系统的逻辑框图 图2中,电阻R=100 n,电容c=25 IxF,滤波电感 :1 mH,令电压外环的检测系数砭:0.01,PI调节器 的转折频率设为1 570 rad/s,那么加入PI调节器后整 个外环的转折频率则为3 140 rad/s,由此可得 一80一 解式(4)得 fK,=0.894 4 ,一 I≤:125.6 电流环的检测端电阻为100 n,电流检测的输入 输出的比例为1:100,则比例系数K =1/100x100=1。 为了简化运算,令逆变桥的比例系数K =1。虽然, 在理论上把开关频率的一半作为系统的穿越频率,但 是,在实际应用中,把小于1/5的开关频率作为穿越频 率比较合适。开关频率为20 kHz,故本文把1 kHz作 为系统的穿越频率,则可以得到参数K的取值。由 lKx0.4/(Lx2 ̄rx1 00oj)I=1,得到电流环的比例调节 器系数K=15.7,至此可得到整个PID控制器参数。 2.3传统双环PID反馈控制的局限性 传统的系统只基于PID控制,容易受两类噪声干扰: 1)控制噪声。逆变器输出电压的稳定是通过 PID控制器调整逆变器主电路逆变桥的母线直流供电 电压来实现的。因此,母线电压的不稳定,会影响逆变 桥的输出,同时也会造成控制的精度下降,除此之外, 在PID调整趋于稳定前存在几次超调,这也很容易受 白噪声干扰,并且有较长的过渡时间。 2)测量噪声。PID控制器的输入是通过对逆变 器输出的电压和电流采样完成的。而电压电流采样一 般基于电阻采样或传感器采样,采样过程本身容易受 外部环境干扰,例如温度,湿度等。另外,采样量化过 程本身带有时延和存在噪声,会使系统滞后。 在反馈过程中,这些噪声会降低PID控制器的控 制精度,使控制器参数难以自动调整,当干扰严重时, 终会使逆变器输出波形变差,THD值升高。 3 基于卡尔曼滤波器的双环反馈PID控制建模 3.1卡尔曼滤波器原理与计算过程 设待估随机信号的数学模型是一个由白噪声序列 驱动的一阶自递归过程。将控制系统的传递函数离散 化,得到系统状态方程为 (k)=Ax(k一1)+Bu(k)+w(k) (6) 系统的i贝0量方程为 Y(k)=Cx(k)+l,( ) (7) 式(6)和式(7)中:X(k)是k时刻的系统状态; H(k)是k时刻对系统的控制量;A和B是系统参数矩 阵;y( )是k时刻的测量值;C是测量系统的参数矩 ・电源技术・ 张磊:基于卡尔曼滤波器的逆变器控制研究 阵;w(k)和',(k)分别表示过程和测量的噪声。 卡尔曼滤波器方程如下 ],状态一步预测 (k I k一1)=Ax(k一1 l k一1)+Bu( )(8) i 中:A 善 J、 B=[ ],c=c。 司。=。 状态估计 P(k I k一1)=AP(k一1 l k一1)A +Q(9) 滤波增益 Kg(k)=P(k I k一1)HT/(1iP(k l k一1)HT+R) (10) 一步预测均方差 (k l )= (k I k一1)+ ( )(z(后)一 Hx(k l k一1)) (11) 均方误差 P(k I k)=(I— (k)H)P(k l k一1)(12) 3.2基于卡尔曼滤波器PID控制原理 卡尔曼滤波器首先会根据系统控制参量和噪声方 差计算出滤波器增益,进而根据滤波器增益对被污染 信号进行调整,得到输出信号 。这时将滤波器输出 信号 和原信号x之差作为PID控制器输入,就可 很好地抑制控制噪声和测量噪声的影响。另外,滤波 器利用最小误差估计原理,将当前的估计值只取决于 前一时刻的状态值,故响应速度更快。因此,本文提出 了基于卡尔曼滤波器的PID控制器,其逻辑结构框如 图3所示。 图3卡尔曼滤波器与PID控制技术结合的控制原理逻辑图 3.3卡尔曼滤波器参数计算 根据前面对单相电压型逆变器的数学建模分析, 已得到系统状态模型电路,如图1所示,得到的系统函 数如式(1)所示,为了方便,这里把滤波电感等效串联 电阻r忽略,系统函数等效为 )= , 由此可得到卡尔曼滤波器状态方程和系统测量方程 A (14) Vo:c +D L c J 。是逆变器输出电压;i 是通过电感的电流; 是电 A1=e l TB1= eAtB 。(15) C1=C D1=D 式中:T表示采样周期,这里取 =i/f=1/40 000 S。代 入式(15),求得 0.987 6-0 990 9 0 977 7  8】】,B  .. .. 0.024l=[0.024 90 012 411,. C。=[0 1],D [0] 因此,卡尔曼滤波器的状态方程和系统测量方程为 【 (妻 ] )J =[【0。 :.98970 96- 0 0.9.0727 47  k8]J L iL (  一k 1-一 1 )]J + 0.024 9 24… ] (16) 根据上述讨论,确定了卡尔曼滤波器的观测方程 系数和状态系数,由卡尔曼滤波器的观测方程和状态 方程,得到了矢量状态一矢量观测卡尔曼滤波器方程 (尼):『L00.990 9 ・987 6--0.977 7 J 0.024 81 ( 一1)+ 『L0.012 4 0.024 91J  ( 7) Y(k)=[0 1] (k) 式中: (k)=[i (k), 。(k)] ,Y(k)= 。(k)。 4仿真分析结果 由上文的分析表明,对于传统逆变器PID控制器 引入卡尔曼滤波器,可弥补传统PID控制的不足,能很 好地抑制系统测量噪声和控制噪声,提高逆变器抗干 扰能力。为验证这一结论,本文将基于Simulink环境 一81— 现代雷达 搭建系统电路仿真模型。具体主电路参数如下:输入 直流母线电压 =100 V,输出交流电压峰峰值Vo= 194 V,频 =50 Hz,滤波电感L=1 mH,滤波电容 引入的噪声均值为0,方差为0.1的高斯白噪声。 所搭建的基于卡尔曼滤波器电压电流双环PID控 制的仿真模型,如图4所示。 C=25 F,纯阻性负载R=100 n,开关频率20 kHz。 图4仿真原理图 首先,研究在没有卡尔曼滤波器时的传统PID控 制器的波形输出。图5为两个周期的SPWM控制波 的1/0信号导致开关管导通/截至状态转换的错误,最 后,经过LC滤波器得到如图6所示的波形。 形图,从图中可以看出,在系统存在均值为0,方差为 0.1的高斯白噪声时,SPWM波形不是呈现占空比由 窄变宽再变窄的周期变化过程,而是变成一系列混乱 不规则的1/0序列。这表明,高斯白噪声很明显地影 响了系统对幅值的反馈,并且受影响的反馈信号经和 参考正弦比较后,将产生更大的误差,从而造成开关管 导通和关断判别的错误。 时间/s 图6无卡尔曼滤波器输出波形图 为了最大限度的消除噪声,引入卡尔曼滤波器,在 之 蓦 时间/s 加入卡尔曼滤波器后,电压外环的反馈信号的波形质 量有了很大的提高,对比滤波器输入输出如图7所示。 之 图5带高斯白噪声的SPWM控制波形 墨 产生的SPWM波经过LC滤波器,滤除高次谐波 后,得到的5O Hz的输出波形图,如图6所示,输出波 形充满了不规则的毛刺,并且峰值不到80 V,这表明 一 1O 时间/s a)卡尔曼滤波器输入波形图 白噪声已经很大程度地影响了系统的控制过程,使输 出波形发生了较大的畸变。 而对图6得到的输出波形进行FFTr分析,以50 Hz 作为基波频率,此时的THD为5.48%,显然超出了国标 规定≤5% 的范围。分析其原因,输出电压通过电压 外环反馈,需要与基准正弦波进行比较得到的误差经过 PID控制器作为电流环的基准,噪声同时会进入电流内 环,然后,电流环的输出与高频载波进行比较产生错误 一时间/s b)卡尔曼滤波器输出波形图 图7截取两个周期的卡尔曼滤波器输入与输出对比示意图 由图7可以看出,经过卡尔曼滤波器后,反馈信号 波形质量有了很大的改善,最大限度的滤除噪声,得到 82一 ・电源技术・ 张磊:基于卡尔曼滤波器的逆变器控制研究 时间/s 图9加入卡尔曼滤波器时输出波形图 将图9得到的输出波形进行傅里叶分析,以50 Hz 作为基波频率,此时的THD为1.27 。仿真分析结 果表明,卡尔曼滤波器能最大限度的滤除原PID控制 器的测量噪声和控制噪声,加入卡尔曼滤波器的PID 控制系统,能有效改善输出波形的质量,使逆变器 THD值明显降低。 5 结束语 本文将卡尔曼滤波器与PID控制相结合,应用于 逆变系统的控制设计,通过对基于卡尔曼滤波器的 PID控制器和传统PID控制器仿真数据对比分析,发 现在同等噪声环境下,基于卡尔曼滤波器的PID控制 器具有很好的滤波能力,它能最大限度抑制测量噪声 和控制噪声,降低输出波形的THD,使逆变器具有更 强的抗干扰能力和稳定性,对于提高逆变器的电性能 指标具有重要的实用价值。由于卡尔曼滤波器对于线 性系统具有很好滤波性能,但将卡尔曼滤波应用于非 线性系统滤波还需要进一步研究,而逆变系统中由于 负载的非线性表现出非线性特征,因此,还需要对于含 有非线性负载的逆变系统的滤波和控制方法开展进一 步的研究工作。 参考文献 许家群,张学典,田立坚,等.微机控制逆变器的电磁兼 容性设计[J].沈阳工业大学学报,2001,23(5):403— 405. 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