分段滯環(huán)控制器設計

張建生，張永華，宋朋飛

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211000；2.常州工學院電子信息與電氣工程學院，江蘇常州213002)

0 引言

模擬式滯環(huán)控制響應快，控制精度高，滯環(huán)寬度固定，開關頻率變化范圍大；數(shù)字式滯環(huán)控制可以實現(xiàn)自適應滯環(huán)環(huán)寬，縮小開關頻率的變化范圍，抗干擾能力強，控制具有一定的滯后性，實施起來相對復雜些。在此基礎設計了分段滯環(huán)控制，可以實現(xiàn)開關頻率基本保持不變，且具有頻率響應較快，控制實現(xiàn)較簡單。

1 滯環(huán)控制電路工作原理

滯環(huán)電流控制電路工作原理［1-2］:電流參考方向如圖1中所示，當指令電流Iref處于正半周期時，且當 I0-Iref＞△I時，滯環(huán)電流控制器給VT1開關管施加門極關斷信號，給VT2開關管延時施加正向門極觸發(fā)信號；此時，由于負載是阻感負載，負載電流維持原先方向繼續(xù)流動，通過VD2續(xù)流二極管向電源側饋能，同時VT2開關管由于承受反壓不能導通；輸出電流逐漸減小，當I0-Iref=0時，饋能過程結束后，VT2導通，負載電流方向翻轉，輸出電流繼續(xù)減?。划擨0-Iref＜—△I，滯環(huán)電流控制器輸出給VT2施加門極關斷信號，給VT1開關管延時施加正向門極觸發(fā)信號；同理，此時由VD1向直流電源側饋能，當I0-Iref=0，饋能過程結束后，VT1導通，負載電流繼續(xù)增大；當I0-Iref＞△I時，滯環(huán)電流控制器給VT1開關管施加門極關斷信號，給VT2開關管延時施加正向門極觸發(fā)信號，如此循環(huán)下去。當指令電流在負半周期時，同理分析。工作過程及觸發(fā)脈沖形成原理如圖2所示［1］。

圖1 滯環(huán)控制電路

圖2 觸發(fā)脈沖生成方式

2 開關頻率分析

在高頻逆變電路中，對于阻感負載來說，負載充電時［3-4］:

解得:

則有:

向電源側饋能時:

解得:

可見在t較小時，有i(t)呈近似線性變化，而對于開關電路來說，工作頻率比較高，因此周期時間比較小，作此近似是合理。

進一步說明滯環(huán)控制具體工作原理及開關頻率關系式，就單個周期的波形進行詳細推導說明，如圖3所示為單個開關周期的參數(shù)。

同理可得電流變化率為:

圖3 單個開關周期的參數(shù)圖形

根據(jù)圖3(a)可以得到:

其中，l1，l2分別為上升與下降波形的長度，k1，k2分別為波形上升與下降的斜率。

根據(jù)圖3(b)，有:

將式(10)，式(11)代入式(9)，可得:

再有:

其中:k1=tanφ ，k2=tanχ，

則有:

由式(4)，式(7)知，k1，k2是變化的，且與指令信號變化相關，導致上升與下降的夾角變化，最終導致開關頻率的變化?？梢娭噶铍娏鞯淖兓瘜е铝碎_關頻率的變化。因此可以根據(jù)指令信號的變化，改變滯環(huán)控制環(huán)寬寬度，以達到開關頻率基本穩(wěn)定的目標。

3 實現(xiàn)方案

根據(jù)以上分析，根據(jù)指令信號變化率與開關頻率的關系，同時由式(12)可以看出，當電路參數(shù)一定時，開關周期與滯環(huán)寬度成正比。為保證開關頻率基本固定，考慮在指令信號變化率不同階段實施不同的滯環(huán)寬度。其基本思想就是將指令信號變化率相近的化為一個區(qū)域，此區(qū)域實行固定環(huán)寬滯環(huán)控制；不同區(qū)域實行變環(huán)寬控制，以保持總體的開關頻率保持基本相同。根據(jù)以上分析，現(xiàn)以正弦信號為例進行實驗驗證。首先，根據(jù)正弦信號的變化率，將變化率絕對值相近的化為一個區(qū)域，不同區(qū)域實行不同的環(huán)寬設置，現(xiàn)將其劃分為兩個區(qū)域。如圖4和圖5所示為分段滯環(huán)控制實現(xiàn)原理框圖。以指令信號的變化率作為開關選擇信號，以實現(xiàn)指令信號變化率不同時，實施不同的滯環(huán)寬度控制。

圖4 正弦函數(shù)區(qū)域劃分示意圖

圖5 分段滯環(huán)控制實現(xiàn)原理框圖

設置仿真參數(shù)如下:普通滯環(huán)控制器設置為電源電壓母線為200V，電感為1mH，電阻為5 Ω。指令信號正弦波形，頻率50Hz，幅值20，其他元器件參數(shù)為默認參數(shù)設置。普通滯環(huán)寬度設置為2。分段滯環(huán)控制在指令信號變化率不同處設置不同的滯環(huán)寬度，將正弦變化率分為兩個區(qū)域(0，0.4ω和(0.4ω，1.0ω)，并分別設置滯環(huán)寬度為2和4。

圖6 普通滯環(huán)控制開關頻率圖

圖7 分段滯環(huán)控制開關頻率圖

圖6 普通滯環(huán)控制開關頻率圖，圖7分段滯環(huán)控制開關頻率圖，對比可以看出分段滯環(huán)控制可以保持開關頻率基本不變，由圖6在指令信號變化較高處，開關頻率比較高，而圖7中開關頻率相對較均勻，可以看出分段滯環(huán)控制可以較好的解決了開關頻率不固定的問題。

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