摘　要：介绍一种基于Fuzzy－DPLL复合控制方式的逆变控制器，它具有快的动态性能、高精度稳态性能及高可靠性的特点。

　　关键词：变频电源；逆变器；数字锁相环；Fuzzy－DPLL复合控制器

　　1　高品质变频电源整体结构

　　在文献［1］采用的IC－PLL控制中，对于频率阶跃输入，没有稳态跟踪误差，即可使系统达到高精度控制。但是在实际应用中，还存在一些问题，通过实验和测试分析表明，采用CD4046－PLL电路构成开关逆变电源的频率自动跟踪控制器具有一定的缺陷，一是IC－PLL的过渡期长，超调大，使环路进入锁定状态需要很长的时间；二是逆变电源在感应加热工作中存在IC－PLL失锁现象，抗干扰能力小；三是死区时间控制需要辅助电路并存在零漂；另外，IC－PLL电路在不同的频率段工作时，需要不同的滤波网络参数，使启动电路结构复杂和可靠性降低。
                
    针对IC－PLL逆变控制的不足，新设计的变频电源整体结构如图1所示。整流器采用APFC控制，开关逆变器采用数字锁相环（DPLL）结合Fuzzy控制方式对频率进行跟踪控制，增强频率跟踪的范围，提高抗干扰能力，使输入输出功率因数都得到控制和提高。由主控高速单片机MCU来实现频率跟踪控制及功率因数的调节和功率控制，其中MCU通过控制APFC的PWM对整流器进行功率因数调节和功率控制；同时MCU采用Fuzzy－DPLL复合控制策略实现逆变桥开关管的过零导通，以对逆变器的输出频率进行跟踪控制。
                    
    2　基于Fuzzy－DPLL的逆变电源控制器

　　基于Fuzzy－DPLL的逆变电源控制器结构如图2所示。当相位（或频率）误差大于给定值时，以Fuzzy－DPLL控制方式工作；当相位（或频率）误差小于给定值时，系统进入数字锁相环方式工作。这样由Fuzzy控制切换到DPLL控制方式后，即可保证逆变器工作于谐振或准谐振准态，同时使系统的频率跟踪范围扩大和抗干扰能力加强。

　　2．1　数字锁相环（DPLL）算法设计与实现

                  
      根据集成锁相环的工作原理设计DPLL，原理说明如图3所示。计数器0在同步信号作用下，记录同步信号的周期与相位，周期记为T0（n）；计数器1相当于 压控振荡器，其频率相位修正后的锁相环实际输出信号的周期为T（n）。在n个周期内计算出T（n），在第n＋1个周期启动计数器1。定义θ（n）为本周期的相位差，实际上θ（n）是启动定时器T0（n＋1）与启动定时器T（n）的时间差。如果T（n）滞后于T0（n＋1），则θ（n）为负，反之，则为正。于是有：
                    
     集成锁相环的调节包括频率修正和相位修正。在DPLL中，将频率和相位分别加以修正，引入频率修正的变量T′（n），在不考虑滤波作用时，将其修正为T′（n）＝T0（n）。引入RC低通滤波器，将T0（n）作为滤波器的输入，将T′（n）作为滤波器的输出，可以写出离散化的表达式：
                
      式（2）中A为滤波参数，A＝τ／（Ts＋τ），0＜A≤1；其中Ts为采样周期；τ为时间常数，τ＝RC。

　　在DPLL算式中，如果同步信号发生变化，必然产生相位误差，因为计算出来的前一个周期直接作为计数器1的计数值时，不进行相位校正，则无法消除相位误差。因此要引入相位修正：
                      
    式（3）中B为相位修正系数，0＜B＜1。

　　由式（2）、式（3）构成DPLL的基本算式，利用一个计数器记录T0（n）。当输入脉冲上升沿到来时，单片机产生中断，读取计数器的值经运算处理后可得θ（n），通过同步输入脉冲个数与计数器1周期个数的比较来确定θ（n）的符号。在高频或频率变化较大时，两个周期相差较大，频率跟踪速度较慢。因此，在算法实现时采用先频率修正，后频率相位同时修正的调节方法。开放频率相位同时修正的条件是｜T0（n）－T0（n－1）｜＜ξ，其中ξ为与T0有关的指定数。实践表明，采用先频率修正，后频率相位同时修正的调节方法具有跟踪速度快的特性。由中断子程序得到的θ（n），有可能大于等于T0（n）／2，也可能小于T0（n）／2，可采用就近原则辨别是否将该周期作为频率相位同时修正的起始周期。编程时，当θ（n）的值大于等于T0（n）／2时，将该周期也并入跟踪的周期，θ（n）符号为正；θ（n）的值小于T0（n）／2，抛弃该周期，θ（n）符号为负。通过单片机的高速捕获单元（Cupture Unit）捕获输入脉冲，从而精确地读入脉冲的周期，实现DPLL的程序流程如图4所示。
                    
     需要引起注意的是，参数A和B的选择会影响DPLL的动静态响应。滤波参数A较小时，调节响应速度快，但不稳定，容易发生振荡；A较大时，调节响应速度慢，但稳定。相位修正系数B较大时，调节响应速度快，但容易发生振荡，也不稳定；B较小时，容易稳定，但调节响应速度慢。因此，A、B的取值要相协调。实验中取A＝0．08，B＝0．25，ξ＝T0／5时，DPLL频率跟踪和锁定效果最优。

　　2．2　Fuzzy控制方式的实现

　　Fuzzy（模糊）控制是选择误差E和误差变化EC及误差的积累ΣE作为控制变量，通过专家对被控对象的操作和控制经验以及控制策略总结成一组Fyzzy条件语句构成描述控制过程的Fuzzy控制算法：
                    
    令式（5）－（6），得求解n时刻控制量的逆推算式。

                  
    上式说明，n时刻的控制器输出由前一时刻，即（n－1）时刻控制器输出，前一时刻和此时刻的误差、误差变化率决定，单片机MCU只需存储少量信息，即可求出控制作用，这样大大节省了单片机MCU内存容量，加快了运算速度。

　　应当指出，以α作为调整参数不仅方便易行、而且具有深刻的物理含义，α值的大小，直接表示对误差E和误差变化率Ec以及误差和ΣE的加权程度。

          
            
      其中uC（0）为系统稳 定时所加的控制作用：E（0）＝R－Y（0），（R为设定值）；EC（0）＝0系统稳定时误差变化为0，Fuzzy控制程序流程如图5所示。

　　3　控制系统的软件设计

　　变频电源控制器的软件系统由初始化、数据采集、显示参数、Fuzzy控制、DPLL控制方式、智能切换器和SPWM信号产生及输出等部分组成，如图6所示。其中智能切换器根据误差的大小来协调Fuzzy控制和DPLL的控制方式。

　　4　实验情况及结论

　　在实验过程中，当进行功率调节及突加负载时，Fuzzy－DPLL控制的逆变器能够实现快速频率跟踪，没有失锁现象，启动可靠。与采用IC－PLL控制的变频电源相比，具有启动快、稳定性和抗干扰性强的特点。

                    
    将DPLL控制较高的稳态 性能及Fuzzy控制良好的动态性能二者有机的结合，在工业控制中具有实用意义。

　　参考文献

［1］黄晓林．高品质变频电源的设计［J］．仪表技术，2003，（2）：42－44．
［2］黄晓林．变频电源的消谐波控制技术［J］．机床与液压，2004，（1）：
68－70．
［3］毛鸿，等．感应加热电源无相差频率跟踪控制电路［J］．电力电子技术，1998，（2）：25－27．
［4］Atsushi Okuno et al．Feasible Development of Soft－switched SITIn－verter with Load－adaptive Frequen－cy－tracking Control Scheme for In－duction Heating［J］．IEEE Trans．Ind．Applicat，1998，34（4）：713－718．