基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字式delta‑sigma与PID双环控制的逆变器及设计方法，属于开关电源领域，逆变器包括：PID外环控制模块，对逆变电路输出侧电压采样端的电压信号采样解码及数字PID调节；数字式delta‑sigma内环控制模块，对桥臂中点电压信号进行delta‑sigma型AD采样以得到单比特的数据流，当数据流达到M位时滤波解码，并在每新增加一位时对最新M位数据进行滤波解码，得到数据点，并对PID外环控制模块输出的信号与数据点之间的差值进行积分、量化后驱动逆变电路将直流信号转换为交流电压信号。简化滤波算法降低时延，delta‑sigma型ADC噪声整形功能保证采样数据在中低频段准确性，解决现有数字式delta‑sigma控制采样速度低、时延大、精度低的问题。双环控制有效提高系统的控制精度与响应速度。

【技术实现步骤摘要】
基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器及设计方法
本专利技术属于开关电源领域，更具体地，涉及一种基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器及设计方法。
技术介绍
高精度交流电源在精密制造、精密测量和医疗领域中有着重要应用。其中，开关电源的死区误差、输出滤波器产生的误差等导致其难以实现高精度。音频领域模拟式的delta-sigma调制可以有效抑制死区以实现高精度交流电源，但是模拟式控制在功率较大时容易受干扰而影响精度，且移植性差，存在一定的设计难度。数字式的delta-sigma调制对采样要求很高，需高速度以获取死区等误差，需低时延以提高环路稳定性并使得环路可运行在较高开关频率来保证带宽，需高精度以控制环路获取数据的准确。现有的采样方案，通常采取误差补偿方式，或者降低波形精度要求，采样调理电路设计复杂并且精度不高，特别的考虑到采样隔离要求，目前采样方案还存在着功率级限制。除此之外，单纯的数字式delta-sigma控制对滤波器造成的误差也未有效抑制。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器及设计方法，其目的在于利用delta-sigma型采样ADC提高采样率，简化滤波解码算法以降低时延，积分滤除高频段误差，基于该类ADC具备的噪声整形特点，保证采样数据在所需中低频段内的准确性，解决现有数字式delta-sigma控制中采样方案的速度低、时延大、精度低、带宽不够的问题，保证数字化内环控制的高性能。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器，包括：逆变电路；PID外环控制模块，连接所述逆变电路输出侧的电压采样端，用于对所述逆变电路输出的电压信号进行数字PID调节后输出；数字式delta-sigma内环控制模块，连接所述逆变电路的桥臂中点和所述PID外环控制模块的输出端，用于对所述桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采样以得到单比特的数据流，当所述数据流的位数达到M位时对所述M位数据流进行滤波解码以得到一数据点，之后每得到一数据流时对最新得到的M位数据流进行滤波解码以得到相应的数据点，M为解码所需数据流的位数，以及用于对所述PID外环控制模块输出的信号与所述数据点之间的差值进行积分、量化以转化为驱动信号输出，以驱动所述逆变电路将直流信号转换为交流电压信号。更进一步地，所述数字式delta-sigma内环控制模块包括依次连接的第一隔离采样单元、第一滤波解码单元、积分器和量化比较器；所述第一隔离采样单元用于对所述桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采样以得到单比特的数据流；所述第一滤波解码单元用于对所述数据流进行滤波解码以得到各所述数据点；所述积分器用于对所述差值进行积分；所述量化比较器用于将所述积分器输出的积分结果与参考电压进行比较，并将比较结果转化为所述驱动信号输出。更进一步地，第一滤波解码单元利用sinc3滤波解码函数对所述数据流进行滤波解码，且滤波过程中所用数据流的位数在1-50之间。更进一步地，所述数字式delta-sigma内环控制模块还包括RC滤波器，所述桥臂中点通过所述RC滤波器连接至地；所述第一隔离采样单元用于对RC滤波后桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采样。更进一步地，所述量化比较器为单比特量化比较器或多比特量化比较器，且比较环节具备滞回特性。更进一步地，所述逆变电路为半桥逆变电路、全桥逆变电路或多电平逆变电路，输出端连接LC滤波器，所述电压采样端为所述LC滤波器的输出端。更进一步地，所述PID外环控制模块包括依次连接的第二隔离采样单元、第二滤波解码单元和PID控制单元；所述第二隔离采样单元和第二滤波解码单元分别依次用于对所述逆变电路输出的电压信号进行AD采样和滤波解码；所述PID控制单元用于对所述第二滤波解码单元的解码结果与预置正弦信号之间的差值进行数字PID调节后输出。更进一步地，所述数字式delta-sigma内环控制模块为一阶控制模块或高阶控制模块。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种如上所述的逆变器的设计方法，包括：S1，将数字式delta-sigma内环控制模型中的注入噪声源替换为0到+∞范围内变化的可变增益λ，并基于替换后的模型建立所述逆变器的传递函数；S2，计算所述传递函数对应的特征方程，并根据所述特征方程中可变增益λ的变化计算绘制所述特征方程的根轨迹；S3，调节PID外环控制模型中的比例参数、积分参数和微分参数，直至所述特征方程的根轨迹中仅有一条非对称的根轨迹沿着可变增益λ减小的方向穿越虚轴一次。更进一步地，所述特征方程为：其中，L为所述逆变器中滤波电感的电感值，C为所述逆变器中滤波电容的电容值，r为所述逆变器中的综合阻尼，K为所述逆变器与积分器的等效增益，T1为积分量化与逆变环节的时延，T2为反馈通道的时延，kfb为反馈通道的增益，kp、ki、kd分别为所述比例参数、积分参数和微分参数。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)对于数字式delta-sigma内环控制，利用delta-sigma隔离型ADC与数学分析简化滤波解码算法，每采样一个单比特数据输出一个滤波解码完毕的多比特数据，提高了解码后采样可用数据的带宽，提高其抗混叠能力，并且将内环采样电路的时延降至最低；利用ADC具备的噪声整形功能，保证采样数据在逆变器所需的中低频段内的准确性；为解决滤波解码算法简化带来的数据误差，在滤波解码之后设置积分环节以滤除采样数据在高频段的误差，保证了采样数据在高频段内的准确性，解决现有数字式delta-sigma控制中采样速度低、时延大、采样精度低的问题；(2)数字式delta-sigma内环可对死区等误差进行高性能抑制，而死区在逆变器中具备等效电阻特性，使得delta-sigma内环的滤波器谐振问题会更为严重，因此，在数字式delta-sigma内环控制的基础上，加入PID外环控制以提高系统阻尼，进一步提高系统对误差的抑制能力，同时对滤波器的谐振影响进行有效抑制，并且降低负载电流扰动对逆变器精度的影响，提升逆变器的精度和稳定性；(3)简化的滤波解码算法的复杂度，例如使用sinc3滤波解码函数的滤波队列长度由传统的大于100降低至小于10，从而极大地降低时延提高响应速度，进而提高开关频率，提升逆变器的波形质量，实现高精度的逆变电源；(4)针对数字式双环控制系统的稳定性问题进行分析设计，给出了判定依据及设计过程，从而保证了高精度的数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器的可实施性。附图说明图1A为delta-sigma的控制框图；图1B为delta-sigma的输入伯德图与误差伯德图；图1C为被等效为白噪声的误差在delta-sigma的噪声整形示意图；图2为本专利技术实施例提出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器，其特征在于，包括：/n逆变电路(1)；/nPID外环控制模块(2)，连接所述逆变电路(1)输出侧的电压采样端，用于对所述逆变电路(1)输出的电压信号进行数字PID调节后输出；/n数字式delta-sigma内环控制模块(3)，连接所述逆变电路(1)的桥臂中点和所述PID外环控制模块(2)的输出端，用于对所述桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采样以得到单比特的数据流，当所述数据流的位数达到M位时对所述M位数据流进行滤波解码以得到一数据点，之后每得到一数据流时对最新得到的M位数据流进行滤波解码以得到相应的数据点，M为解码所需数据流的位数，以及用于对所述PID外环控制模块(2)输出的信号与所述数据点之间的差值进行积分、量化以转化为驱动信号输出，以驱动所述逆变电路(1)将直流信号转换为交流电压信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字式delta-sigma与PID双环控制的逆变器，其特征在于，包括：
逆变电路(1)；
PID外环控制模块(2)，连接所述逆变电路(1)输出侧的电压采样端，用于对所述逆变电路(1)输出的电压信号进行数字PID调节后输出；
数字式delta-sigma内环控制模块(3)，连接所述逆变电路(1)的桥臂中点和所述PID外环控制模块(2)的输出端，用于对所述桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采样以得到单比特的数据流，当所述数据流的位数达到M位时对所述M位数据流进行滤波解码以得到一数据点，之后每得到一数据流时对最新得到的M位数据流进行滤波解码以得到相应的数据点，M为解码所需数据流的位数，以及用于对所述PID外环控制模块(2)输出的信号与所述数据点之间的差值进行积分、量化以转化为驱动信号输出，以驱动所述逆变电路(1)将直流信号转换为交流电压信号。


2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述数字式delta-sigma内环控制模块(3)包括依次连接的第一隔离采样单元(31)、第一滤波解码单元(32)、积分器(33)和量化比较器(34)；
所述第一隔离采样单元(31)用于对所述桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采样以得到单比特的数据流；所述第一滤波解码单元(32)用于对所述数据流进行滤波解码以得到各所述数据点；所述积分器(33)用于对所述差值进行积分；所述量化比较器(34)用于将所述积分器(33)输出的积分结果与参考电压进行比较，并将比较结果转化为所述驱动信号输出。


3.如权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述第一滤波解码单元(32)利用sinc3滤波解码函数对所述数据流进行滤波解码，且滤波过程中所用数据流的位数在1-50之间。


4.如权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述数字式delta-sigma内环控制模块(3)还包括RC滤波器，所述桥臂中点通过所述RC滤波器连接至地；
所述第一隔离采样单元(31)用于对RC滤波后桥臂中点的电压信号进行delta-sigma型AD采...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，鲁博，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42