數(shù)字滯環(huán)控制器設(shè)計(jì)

張建生， 張永華， 宋朋飛

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

數(shù)字滯環(huán)控制器設(shè)計(jì)

張建生1,2， 張永華1， 宋朋飛1

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

分析了滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率不固定的原因，并在原有基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)字滯環(huán)控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以方便限制最高開(kāi)關(guān)頻率及保持較高的控制精度。

滯環(huán)控制；數(shù)字化；開(kāi)關(guān)頻率

滯環(huán)控制是一種廣泛應(yīng)用的跟蹤控制技術(shù)，具有硬件電路比較簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、不需要載波、輸出波形不含有特定頻率的諧波分量等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是其開(kāi)關(guān)頻率不固定，致使設(shè)計(jì)濾波電路困難，此外開(kāi)關(guān)頻率有可能超過(guò)開(kāi)關(guān)管的截止頻率。針對(duì)滯環(huán)控制的特點(diǎn)以及數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的要求，設(shè)計(jì)了數(shù)字化滯環(huán)控制器。

1 滯環(huán)電流控制的拓?fù)浼盎驹矸治?/h2>

滯環(huán)電流控制電路拓?fù)淙鐖D1所示，工作原理[1-2]：當(dāng)指令電流與實(shí)際電流的偏差－到達(dá)滯環(huán)比較器上界時(shí)，給VT1施加關(guān)斷信號(hào)，延時(shí)給VT2施加導(dǎo)通信號(hào)，由于負(fù)載是感性負(fù)載，VT2承受反壓而不能立即導(dǎo)通，先由VD2續(xù)流，電流減小，直至－等于零，VT2導(dǎo)通，電流繼續(xù)減小；當(dāng)－到達(dá)滯環(huán)比較器下界時(shí)，給VT2施加關(guān)斷信號(hào)，延時(shí)給VT1施加導(dǎo)通信號(hào)，同理由于負(fù)載是感性負(fù)載，先由VD1續(xù)流，電流增大，直至－等于零，VT1導(dǎo)通，電流繼續(xù)增大；當(dāng)－到達(dá)滯環(huán)比較器上界時(shí)，給VT1施加關(guān)斷信號(hào)，延時(shí)給VT2施加導(dǎo)通信號(hào)，循環(huán)下去。圖2所示為滯環(huán)電流控制波形及觸發(fā)脈沖信號(hào)。

圖1 滯環(huán)電流控制電路

圖2 滯環(huán)電流控制工作原理及形成VT1的觸發(fā)信號(hào)

2 開(kāi)關(guān)頻率的分析

在高頻逆變電路中，對(duì)于阻感負(fù)載來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，即電源側(cè)向負(fù)載供能時(shí)[3-4]，有：

將(3)式代入(2)式，并求導(dǎo)則有：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，即負(fù)載向電源側(cè)饋能時(shí)，有：

解得：

同理可得電流變化率為：

圖3 最大開(kāi)關(guān)頻率時(shí)各參數(shù)示意圖

當(dāng)滯環(huán)環(huán)寬是固定的時(shí)候，在開(kāi)關(guān)頻率最大處有：

式中：δ為指令信號(hào)與水平線間夾角，聯(lián)立(10)～(13)式，可以確定開(kāi)關(guān)的最大頻率。從式(10)、(11)可以看出，對(duì)于滯環(huán)控制電路來(lái)說(shuō)，參數(shù)之間顯然是非線性關(guān)系，保證開(kāi)關(guān)頻率不變，實(shí)施起來(lái)很不方便。可見(jiàn)，當(dāng)電路參數(shù)確定之后，實(shí)際輸出波形與指令信號(hào)變化非同步變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致指令信號(hào)與實(shí)際信號(hào)相對(duì)變化率成非線性，最終導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率的不確定性。針對(duì)模擬式滯環(huán)控制器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了數(shù)字滯環(huán)控制器，可以較好地解決滯環(huán)控制頻率不固定而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率可能會(huì)超過(guò)開(kāi)關(guān)器件的截止頻率問(wèn)題，限制開(kāi)關(guān)最高頻率。

3 數(shù)字滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方案及結(jié)論

數(shù)字滯環(huán)控制思想：根據(jù)滯環(huán)環(huán)寬和負(fù)載參數(shù)來(lái)大體確定開(kāi)關(guān)管的最高頻率，即開(kāi)關(guān)管的最小周期。將開(kāi)關(guān)最小周期設(shè)置為定時(shí)器定時(shí)時(shí)間。當(dāng)指令信號(hào)變化率大于|γ|時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率接近于最大開(kāi)關(guān)頻率，取消定時(shí)設(shè)置，直接使用滯環(huán)控制工作。當(dāng)指令信號(hào)變化率小于|γ|，開(kāi)啟定時(shí)器功能來(lái)保證開(kāi)關(guān)頻率的相近性。當(dāng)指令信號(hào)處于上升的階段時(shí)，且指令信號(hào)大于實(shí)際信號(hào)時(shí)，輸出高電平；當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，且指令信號(hào)小于實(shí)際信號(hào)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)指令信號(hào)處于下降的階段時(shí)，且定時(shí)時(shí)間到，指令信號(hào)大于實(shí)際信號(hào)時(shí)，輸出高電平；當(dāng)指令信號(hào)小于實(shí)際信號(hào)時(shí)，輸出低電平。通過(guò)Matlab Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖4所示。實(shí)際控制系統(tǒng)以DSP 2812作為控制器，其高速數(shù)字處理功能，可以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和控制精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真結(jié)果

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主程序流程圖如圖6。

從仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出開(kāi)關(guān)頻率基本保持不變。說(shuō)明該方案是可行的。

圖6 主程序流程圖

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]李宋，葉滿園.隨機(jī)帶寬滯環(huán)電流控制技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2010，44(9)：72-73.

[3]張加勝，郝榮泰.滯環(huán)控制變流器的開(kāi)關(guān)頻率研究[J].電工電能新技術(shù)，1998(1)：54-56.

[4]孟建華，蔚泉清，劉靖峰.定時(shí)和滯環(huán)相結(jié)合的跟蹤控制方法[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22(5)：592-595.

Designation of digital hysteresis controller

The reason which the switching frequency of hysteresis control without fixing was analyzed.A new digital hysteresis controller was designed based on the original design.The experiment results show that it makes it easily limiting the maximum switching frequency and acquiring higher control accuracy.

hysteresis control;digital;switching frequency

TM 57

A

1002-087 X(2016)03-0690-03

2015-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51175052)；常州市科技項(xiàng)目(CJ20130014)

張建生(1958—)，男，江蘇省人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)數(shù)字控制與控制工程。