三電平逆變電源的二自由度控制系統(tǒng)設計

本文對三電平逆變電路作深入研究，應用二自由度控制設計模擬PID控制電路，保證系統(tǒng)在階躍信號給定條件下的恒流系統(tǒng)輸出和良好的抗擾動性能。本文采用二自由度控制設計三電平逆變電路控制系統(tǒng)，設計了每個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和應用二自由度控制算法進行滿足若干性能要求的擾動與跟隨兩個調(diào)節(jié)器的設計，結(jié)合抽象出來的被控對象數(shù)學模型，應用MATLAB軟件進行了仿真，并和常規(guī)方法設計的PID調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)進行了多方面比較，明確了所選擇參數(shù)的控制可行性及控制方法的優(yōu)越性。

【關鍵詞】三電平 逆變電源 脈沖寬度調(diào)制 控制電路

1 主電路特性及參數(shù)選擇

1.1 主電路工作原理

圖1為主電路拓撲圖，C1～ C6為寄生電容，Css為飛跨電容，Lr為諧振電感，含變壓器原邊漏感。

分析之前，作如下假設：

（1）所有開關管、二極管、電感、電容和變壓器均為理想元件；

（2）C1= C2= C3= C4=C3L，C5= C6=C2L；

（3）輸出電感足夠大，可以近似認為是一個恒流源，Io為輸出電流；

（4）飛跨電容足夠大，其電壓基本不變；輸入分壓電容足夠大且相等。

圖2是主電路波形。一個開關周期包括14個模態(tài)。

（1）[t0，t1]：t0前，開關管1、2和6導通。副邊DR1導通，原邊向副邊傳遞能量。t0時關斷開關管1，輸出電流折算到原邊與諧振電感串聯(lián)，給電容1恒流充電，電容4放電。由于電容電壓不能突變，則開關管1為零電壓關斷。

（2）[t1，t2]：D7導通，開關管4的電壓被箝位在零，原邊繼續(xù)向副邊傳遞能量。

（3）[t2，t3]：t2時關斷開關管2，輸出電流折算到原邊與Lr串聯(lián)，對電容2恒流充電，電容3放電，由于電容電壓不能突變。電容2和3使開關管2為零電壓關斷。

（4）[t3，t4]：D3和D4導通，將開關管3和4兩端電壓箝位在零，此時開通開關管3和4則為零電壓開通。

（5）[t4，t5]：t4時刻，零電壓關斷開關管6，電容6充電，電容5放電。變壓器原邊電壓由零變?yōu)樨撝?，使原邊電流下降，不足以提供濾波電感電流，此時DR1和DR2同時導通，將原副邊電壓箝位在零。

（6）[t5，t6]：t5時刻，D5導通，開關管5兩端電壓箝位在零，此時零電壓開通開關管5。由于DR1和 DR2仍同時導通，負的輸入電壓值加在諧振電感上，原邊電流線性下降。

（7）[t6，t7]：t6時刻，原邊電流下降為零，且繼續(xù)反向增加。t7時刻，原邊電流達到負的折算到原邊的輸出電流后，DR1關斷，所有負載電流流過DR2。

（8）[t7，t8]：t7之后，原邊向副邊傳遞能量。t8時刻關斷開關管4，電路進入下半周期，與上半周期類似。

1.2 主電路特性

1.2.1 占空比丟失

在上半周期的4～7時段和下半周期的12～15時段，原邊電流從正向變化到負向折算到原邊負載電流時，由于原邊不足以提供負載電流，副邊整流后電壓仍為零，即副邊丟失了此部分時間電壓。這部分時間與周期的一半的比值即為占空比丟失。

1.2.2 輸出濾波電感

若輸出電壓大于等于Vin/2K，則電感電流在輸入電壓值時刻持續(xù)上升。

若輸出電壓小于Vin/2K，則電感電流在輸入電壓值得一半時刻持續(xù)下降。

1.3 器件選擇及參數(shù)計算

1.3.1 技術(shù)參數(shù)

（1）輸入直流電壓：200～400V；

（2）輸出直流電壓：60V；

（3）輸出電流：200A；

（4）開關頻率：100KHz。

1.3.2 變壓器變比

在輸入電壓最小時，取最大占空比為0.8，由參考文獻[2]可知，輸出整流二級管的導通壓降值為0.7V，可得原副邊匝比為3：1。

1.3.3 諧振電感的選擇

要使兩電平橋臂的開關管在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開通，可增大諧振電感，但這將增大占空比丟失，則需減小變壓器原副邊匝比以得到所需輸出電壓。而原副邊匝比的減小將會使整流二級管電壓應力增大，原邊電流也會增大。因此一般使最低輸入電壓、滿載輸出時的最大占空比小于0.1。

由上述分析得諧振電感值為3?H。根據(jù)變比公式，則開關管的最大占空比為0.95，小于1，因此，諧振電感值的選擇是合理的。

1.3.4 濾波電感的選擇

濾波電感值應滿足下列關系：濾波電感的波動值與輸出電流的比值小于或等于百分之0.5，由前文分析得：濾波電感取420?H。

1.3.5 其他參數(shù)的選擇

橋式整流二極管選1S1834，其正向電流為1.5A，反向電壓為400V，正向壓降為1.2V，恢復時間為100ns，具有較強的浪涌承受能力和較高的工作穩(wěn)定性。

電路開關器件有三電平橋臂和兩電平橋臂，均選擇絕緣柵型晶閘管，它的承受電壓值和正向電流不同，且要保留裕量，三電平橋臂開關管為WS-315，兩電平橋臂開關管為WS-600，二者平均結(jié)電容分別為420皮法和600皮法，則選C3L為336皮法，C2L為800皮法。

2 二自由度控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。

其中，R為給定輸入信號；

G1（s）為前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； G2（s）為反饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；

G3（s）為功率變換器的傳遞函數(shù)； G4（s）為濾波器的傳遞函數(shù)；

G6（s）為反饋分流器的傳遞函數(shù)； Ni為網(wǎng)壓擾動。

2.2 二自由度控制原理

由于PID控制有良好性能而得到廣泛應用?？刂破黜毚_定的參數(shù)有比例增益、積分時間和微分時間。對于一個好的控制系統(tǒng)，須滿足以下條件：較好的抑制擾動和噪聲的性能；較好的跟蹤性能。利用二自由度控制原理，給出一種二自由度PID控制算法，使控制系統(tǒng)既具有跟蹤性能又能抑制干擾。

圖4所示，它受到擾動D和噪聲N的作用。Gc（s）是控制器的傳遞函數(shù)，Gp（s）是被控對象的傳遞函數(shù)。設被控對象的傳遞函數(shù)固定不變，對此系統(tǒng)，可得：

圖5所示系統(tǒng)，各符號意義與圖4相同，F(xiàn)是前置傳遞函數(shù)。

同上可得：傳函Gyn'同式（1）；傳函Gyd'同式（2）；而Gyr'為F倍的Gyr。

這3個閉環(huán)傳函中有兩個是獨立的。該系統(tǒng)是一個二自由度系統(tǒng)。雖然跟蹤性能取決于控制器的傳函和前置傳函，但抑制干擾、對誤差的靈敏度、穩(wěn)定性裕度和對傳感器噪聲的靈敏度等指標只與控制器傳函有關。這表明，控制器傳函確定反饋回路的特性，而F影響參考輸入與系統(tǒng)輸出之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在設計二自由度控制系統(tǒng)時，先借助控制器傳函改善反饋特性，再借助前置傳函改善參考輸入與系統(tǒng)輸出間的閉環(huán)特性。其優(yōu)點是反饋特性和跟蹤特性可單獨調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)

2.3.1 反饋環(huán)節(jié)

本文采用霍爾分流檢測電路，用霍爾傳感器對主電路與控制電路進行電氣隔離。用分流采樣傳感器和比例放大器對反饋信號進行處理送入后級作為控制信號。由霍爾傳感器特性和比例運放性質(zhì)可知，它相當于比例環(huán)節(jié)。

2.3.2 功率變換環(huán)節(jié)

從變換器特性可知，輸出存在輸出延遲，可近似為一個慣性環(huán)節(jié)。則需確定變換器的放大系數(shù)和時間常數(shù)。

本文控制電路采用TL494芯片，從其特性參數(shù)可知，控制電壓從0.5-3.5V變化時，能實現(xiàn)占空比從零到最大值的調(diào)節(jié)，則放大系數(shù)為40。

變換器最大慣性時間常數(shù)為一個開關周期，為簡便起見一般令最大慣性時間常數(shù)與開關周期值相等。

2.3.3 反饋調(diào)節(jié)器

根據(jù)二自由度控制規(guī)則，在設計反饋控制器時，對于系統(tǒng)跟隨性能與抗擾性能的選擇主要需改善其抗擾性能，將被控對象校正成典型II型系統(tǒng)，但會使系統(tǒng)超調(diào)變大，這就要由系統(tǒng)的前饋控制器來調(diào)高輸出對輸入的跟隨性能。

為了校正成II型系統(tǒng)，讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的一個時間常數(shù)對消，選擇調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)與其接近，再對另一個慣性環(huán)節(jié)被控對象進行處理，將其等效成積分環(huán)節(jié)，則經(jīng)調(diào)節(jié)器處理后變成典型II型系統(tǒng)。

2.3.4 前饋調(diào)節(jié)器

因反饋調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器，將被控對象校正成典型II型系統(tǒng)，為滿足系統(tǒng)在階躍輸入下的恒流特性，即在階躍信號輸入下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，結(jié)合二自由度控制系統(tǒng)設計規(guī)則。通過仿真，若要使系統(tǒng)超調(diào)較小，附加前饋控制器的系統(tǒng)性能得到極大改善。

3 結(jié)論

由于三電平逆變-逆變電路具有更高的工作穩(wěn)定性，而采用常規(guī)比例積分控制方法難滿足系統(tǒng)性能要求，因此引入二自由度控制就顯得尤為必要。本文經(jīng)過詳細分析設計，并對所設計的控制系統(tǒng)進行多方面仿真，可以看到二自由度控制比常規(guī)控制具有更優(yōu)良的工作性能。

參考文獻

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作者簡介

陳莎（1992-），女，陜西省西安市人。碩士研究生學歷?，F(xiàn)就職于西安科技大學。主要研究方向為電力電子與電力傳動。

作者單位

西安科技大學 陜西省西安市 710054