主要收获
- 时序、限制条件和信号定义将决定调试结果能否在硬件上实现。
- PWM建模深度应与环路带宽匹配，并将延迟视为首要动态特性。
- 内外环分离加最坏情况稳定性检查，可避免后期出现意外情况。
优秀的逆变器控制模型能在硬件运行前预测稳定性。由于控制稳定裕度始终可见，调试效率将显著提升。相位丢失与风阻效应可被及早发现——这比匹配开关纹波更为关键。
大多数问题源于模型过于理想化。忽略更新延迟的PWM建模会高估相位裕度；跳过传感器滤波的内环控制会高估带宽；假设固定电网或负载的外环控制则会在条件变化时失效。
工程师在开始调谐前需要从逆变器控制模型中获取哪些信息
在调整增益前，先锁定控制器所见内容及其出现时机。将采样时间、载波速率、延迟及测量滤波纳入模型。为每个信号定义单位、缩放比例及符号。添加硬件中存在的限幅与饱和特性。
采用10 kHz开关频率、50 µs步进的交流三相逆变器是理想的测试平台。占空比每步更新一次，因此需建模计算到PWM输出间的一步延迟。添加与实际产品相同的2 kHz电流滤波器及传感器缩放功能。将直流母线电压扫频700 V至900 V，同时改变电网电感值从0.5 mH至2 mH。
时序与边界条件决定了交越点如何定位才能避免振铃。隐含延迟会偷走相位，将安全增益转化为振荡。缺失的饱和特性掩盖了积分器绕组效应，使瞬态响应看似平缓。一个简洁明了、假设清晰的模型，总能胜过那些细节繁复却暗藏假设的模型。
隐蔽延迟窃取相位，将安全增益转化为振荡。
构建逆变器控制模型的5个步骤
遵循您将实施的构建顺序：首先锁定目标值和限制条件，接着选择PWM抽象方案，随后闭合内环与外环。最后在不同工作点验证系统稳定性。此顺序可避免因建模误差导致的反复调试。
| 尽早确定控制目标和操作限值 | 明确的数值目标和硬性限制可避免调优增益在仿真中看似稳定，却在饱和、故障或量程变化出现时失效的情况。 |
| 选择与控制带宽匹配的PWM表示形式 | PWM模型必须保持影响相位裕度的时序和增益效应，否则即使波形看似完美，控制稳定性结果仍会产生误导。 |
| 基于明确的工厂假设构建内部电流回路 | 电流环路仅在电力系统、感知延迟和滤波在整个模型中明确且一致时才能保持可预测性。 |
| 添加外部电压或功率回路时需保持适当间隔 | 当外环路带宽被刻意设置得低于电流环路时，其稳定性得以维持，从而减少了相互作用并消除了潜在的不稳定性。 |
| 检查控制稳定性在不同工作点和延迟条件下的表现 | 稳定性必须在最坏情况下的电压、阻抗和延迟条件下进行验证，而不仅限于标称工作点。 |
1. 尽早确定控制目标和操作限值
将目标写成可测试的数值，而非意图。选定受控变量、建立时间、峰值偏差限值及稳态误差。定义直流电压工作范围、电网或负载阻抗，并设定降额规则。将电流、电压及占空比限制以饱和和钳位形式纳入模型。 以5kW逆变器为例：目标设定为电流稳定时间2ms，同时限制相电流峰值不超过12A，并在直流电压低于720V时对占空比进行限幅。需补充控制器在极限状态下的处理逻辑，例如冻结积分器、反向计算或限制参考电压变化速率。 为每个目标编写独立的通过/失败检测，确保测试一致性。明确的目标值可防止调试出看似完美但违反硬件限制的波形。
2. 选择与控制带宽匹配的PWM表示形式
选择一种能保持控制器所见延迟和增益的PWM表示法。当交叉点远低于载波时，平均调制器适用于环路设计，但仍需考虑占空比更新延迟。当带宽接近开关频率的十分之一时，采样数据调制器变得重要，因为采样保持延迟会导致相位损失。开关模型则用于分析纹波、谐波、死区效应及滤波器谐振检测。 采用包含单步控制延迟和正确调制器增益的平均模型，可使1 kHz电流环与10 kHz载波实现可靠调谐。若需验证纹波而不重写控制器，请在SPS软件中保留第二个开关级模型。选择能保持稳定裕度的最简模型，仅在结果不一致时添加细节。
3. 在明确的工厂假设基础上构建内部电流回路
内环控制始于可单行描述的被控对象。建模现有滤波器时，务必保持全局统一的符号约定与坐标系。将检测延迟与滤波置于反馈回路内部，而非作为绘图细节。采用2mH电感与0.15Ω电阻构成的L型滤波器时，离散化前被控对象特性接近1/(Ls + R)。 采用50微秒步长离散化，随后调整PI增益使截止频率接近1kHz，并预留延迟裕量。若使用LCL滤波器，需将截止频率置于共振峰值下方。将额外滤波极点视为需补偿的相位损失。尽早添加防饱和措施，避免电流钳位导致恢复过程演变为缓慢漂移。
4. 添加外部电压或功率回路，并确保适当间隔
外环控制仅在速度低于电流环时才能保持稳定。需预先确定外环控制目标，因为直流母线电压控制与交流电压控制所对应的系统特性不同。将外环系统视为不确定系统，因电网强度与负载类型会发生变化。保持外环带宽至少比电流环低5至10倍，以确保相互作用微弱。 采用20Hz至50Hz的直流母线环路驱动1kHz电流环路，可实现负载阶跃的平滑处理。100Hz左右的电网形成电压环路仍将位于电流环路之下，但需确保电压检测的准确性。添加速率限制与饱和保护功能，防止内环饱和时外环持续施加控制。
选择能保持稳定性裕度的最简模型，仅在结果存在分歧时添加细节。
5. 检查控制稳定性在不同工作点和延迟条件下的表现
检查控制稳定性时需采用完整回路模型，而非理想化示意图。评估裕度时，应将采样间隔、PWM延迟、检测滤波器及饱和现象纳入回路模型。评估极端工况包括最小直流电压、最大功率及弱电网阻抗点。某项应力测试将电网电感加倍，致使LCLC谐振点向交叉点偏移。 另一测试将电流基准推至极限，可观察到电流饱和与限流循环现象。利用环路增益曲线捕捉相位损失，再通过包含钳位电路的时域阶跃响应验证。目标裕度需满足离散化后的实际需求，例如45°相位裕度与6dB增益裕度。保持回归分析集紧凑，避免小幅修改在不同工况下悄然缩减裕度。
应用这些步骤以避免控制结果不稳定或产生误导
不稳定的结果通常可追溯至隐藏的时序或隐藏的限制。采用零延迟调谐的控制器看似稳定，但在出现单步更新时会产生振铃现象。未考虑饱和效应的控制器看似线性，但在故障期间会出现滞后。精确的模型能让这些陷阱显现出来。
设想一个在1kHz交越点调谐于平均化被控对象的环路。添加2kHz传感器滤波器与50微秒计算延迟后，相位裕度即告下降。应先修正时序失配，再通过重复相同测试调整增益。需保持三项可重复检测：电流阶跃、直流下陷及阻抗扫描。
将假设写在所有人都能看到的地方，然后与模型一起纳入版本控制。这个习惯能让调试工作在学生、研究人员和产品团队之间实现共享。当需要暴露组件方程和控制器时序以确保评审具体化时，SPS软件能提供帮助。一致的执行将使环路在所有工作点保持平稳运行。
