电力电子控制中如何确定传递函数.docx
电力电子控制中如何确定传递函数做电力电子控制的第一步就是和各种调节器打交道，常用的都是PI调节器，也有些场合需要PR调节器（比例谐振）。调节器的参数设置通常有两种方法，一种靠蒙，一种靠算。前者是大部分初学者都会采用的，网上也有人总结了各种蒙的口诀。但我认为不太适合电力电子控制，因为电力电子里面的控制场景大部分都是已知控制对象的参数（或者可以通过某些测试可以估算出其参数），面对的是一个白盒，所以还是应该靠算，才能到达理想的控制效果，自己也才有底气。不过我有时也听到一些观点，算的结果只能是个范围，最终还要靠手动微调，我想说的是，算出来的参数效果不好，那是因为你算错To在实际操作中，要确定控制参数通常分为两个步骤，一是确定系统的开环传递函数，二是整定传递函数，得到控制参数。本文先说说如何确定系统的开环传递函数。预警：虽然我尽可能通俗，但本文仍可能有点枯燥，畏惧者请绕行。幅频特性我们所讲的传递函数之类的理论，都是基于经典控制理论。关于经典控制理论，百度百科中这样解释：经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。传递函数就是在频域里面研究系统特性。频域的对立面就是时域。那为什么非要在频域里面研究，不在时域里面研究呢？因为对于一个在时域中的信号，它的信息随着时间的无穷延伸，数据量太大，不好分析。而在频域里面，只需要三个信息就能表征一个信号，幅值、频率和相位，这三个信息就能完全确定一个正弦信号。一个系统，对于不同频率的输入信号，输出幅值变化不一样，输出相位变化也不一样。用横坐标表示频率，纵坐标表示幅值和相位变化,就得到了幅频特性曲糊口相频特性曲线。根据傅里叶分解，一个系统的任何输入信号都可以表示为一组正弦信号的集合。所以我们研究系统的幅频特性，就能知道系统对不同输入信号的响应情况。如下图所示，一个方波信号，可以表示为一组正弦信号的和，正弦信号越多，就越逼近原来的方波信号。也就是说，方波信号可以分解为一组频率特定的信号集合，方波信号的频谱就如下图所示。综上，只要研究了一个系统的频率响应特性，对任何输入信号，都能知道它的输出特性。电流控制环电力电子应用中，控制多为23个控制环。其中内环多为电流环,外环则根据应用场合不同而变化。比如对于电机控制来说，外环通常为转速环。对于整流控制来说,外环为电压环或功率环。不同控制环的研究方法基本都是一致的，这里主要以电流环为讨论对象。电流环采集逆变器输出负载上的电流信号，与电流给定值进行比较，通过计算（PI调节器）得到输出电压。输出电压经过PWM模块的调制，输出PWM信号作用到逆变器上。逆变器响应PWM信号,输出电压作用到负载上。这个控制流程，可用上面的传递函数框图表示，PI调节器和负载的传递函数（拉普拉斯变换）均很好理解，但绿色虚框中的两个一阶延时是什么呢？一般教科书是不屑于讲这两个式子的，造成了很多人的疑惑。我们以实际的计算流程来分析一下。上图中，CPU在红色点处进入中断，读取了电流采样值，然后进行PI调节器的计算，得到输出电压（或者三角波比较值）。但是输出电压不是立即作用出去的，通常会等到三角波回到O计数点，才会将比较值输出出去。不能立即输出去的原因，是会干扰PWM波，会形成窄脉冲。这样就造成了采样和计算的延时，也就是传递函数框图里第一个绿色虚框中的一阶延时Tso输出的电压是立刻作用到了负载上面吗？也不是的。输出的比较值和三角波进行比较，产生PWM信号，上图中的橘黄色线。对于这种7段式SVPWM来说，调制特点决定了还有0.5Ts的延时，也就是第二个绿色虚框中的分母部分。剩下就只有Kpwm这个系数应该怎么确定了。Kpwm系数和很多因素有关，比如park变换矩阵、调制方式、系统标幺值选取等等。看似复杂，其实我们只需要知道PI调节器输出变量的物理意义是什么就可以了，也就是逆变器实际输出的电压（单位V）和PI调节器输出的变量之间的比例关系。这个值没有一个确定的数值，每个人的计算习惯不一样，该值会完全不一样。如上我们就完全确定了电流环的传递函数。为了简化，可以将传递函数里面的小延时环节进行合并。Ts和O.5Ts的延时，合并后变为1.5Ts的延时。这样我们就确定了电流环的开环传递函数,为下一步计算PI参数打下了基础。FAQ1怎么测电阻和电感参数？对于网侧整流器，输出滤波器就是一个电感。这个电感的电阻可以用电桥测，电感可以用脉冲法测。比如给电感一个窄电压，观察电流变化的时间常数（1/R）,可以推出电感值。如果是电机，参数可找厂家要，要不到可以自己测（文章汗牛充栋），大概原理就是给电机施加一定的电压（交流或直流，三相或单相），观察电流的幅值、相位，计算得到电机参数。2、为什么电流给定值和反馈值的差，经过PI调节器后输出就是电压？这个问题难住了我。我想直观上是因为，电流小了，通过增大电压，电流就会增大；如果电流大了，通过减小电压，电流就会减小。理论上是因为电压和电流是一阶延时。3、所有场合中，延时者B是Ts+0.5Ts吗？当然不是。我上面讲的，适合大多数情况，如果你的设计思路不一样，还得具体分析。比如，有的人采样频率是开关频率的2倍，在三角波的波峰和波谷均采样计算；在高压变频器里，每个单元的开关频率很低，经过级联后，等效的开关频率很高；有人甚至为了追求极快的响应速度，在极短的时间内完成计算，然后趁还在0零矢量时就输出了PWMo委婉待续
