分段滞环控制器设计

2014-09-12张建生张永华宋朋飞

机械制造与自动化 2014年4期

张建生，张永华，宋朋飞

(1.河海大学能源与电气学院，江苏南京211000；2.常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州213002)

0 引言

模拟式滞环控制响应快，控制精度高，滞环宽度固定，开关频率变化范围大；数字式滞环控制可以实现自适应滞环环宽，缩小开关频率的变化范围，抗干扰能力强，控制具有一定的滞后性，实施起来相对复杂些。在此基础设计了分段滞环控制，可以实现开关频率基本保持不变，且具有频率响应较快，控制实现较简单。

1 滞环控制电路工作原理

滞环电流控制电路工作原理［1-2］:电流参考方向如图1中所示，当指令电流Iref处于正半周期时，且当 I0-Iref＞△I时，滞环电流控制器给VT1开关管施加门极关断信号，给VT2开关管延时施加正向门极触发信号；此时，由于负载是阻感负载，负载电流维持原先方向继续流动，通过VD2续流二极管向电源侧馈能，同时VT2开关管由于承受反压不能导通；输出电流逐渐减小，当I0-Iref=0时，馈能过程结束后，VT2导通，负载电流方向翻转，输出电流继续减小；当I0-Iref＜—△I，滞环电流控制器输出给VT2施加门极关断信号，给VT1开关管延时施加正向门极触发信号；同理，此时由VD1向直流电源侧馈能，当I0-Iref=0，馈能过程结束后，VT1导通，负载电流继续增大；当I0-Iref＞△I时，滞环电流控制器给VT1开关管施加门极关断信号，给VT2开关管延时施加正向门极触发信号，如此循环下去。当指令电流在负半周期时，同理分析。工作过程及触发脉冲形成原理如图2所示［1］。

图1 滞环控制电路

图2 触发脉冲生成方式

2 开关频率分析

在高频逆变电路中，对于阻感负载来说，负载充电时［3-4］:

解得:

则有:

向电源侧馈能时:

解得:

可见在t较小时，有i(t)呈近似线性变化，而对于开关电路来说，工作频率比较高，因此周期时间比较小，作此近似是合理。

进一步说明滞环控制具体工作原理及开关频率关系式，就单个周期的波形进行详细推导说明，如图3所示为单个开关周期的参数。

同理可得电流变化率为:

图3 单个开关周期的参数图形

根据图3(a)可以得到:

其中，l1，l2分别为上升与下降波形的长度，k1，k2分别为波形上升与下降的斜率。

根据图3(b)，有:

将式(10)，式(11)代入式(9)，可得:

再有:

其中:k1=tanφ ，k2=tanχ，

则有:

由式(4)，式(7)知，k1，k2是变化的，且与指令信号变化相关，导致上升与下降的夹角变化，最终导致开关频率的变化。可见指令电流的变化导致了开关频率的变化。因此可以根据指令信号的变化，改变滞环控制环宽宽度，以达到开关频率基本稳定的目标。

3 实现方案

根据以上分析，根据指令信号变化率与开关频率的关系，同时由式(12)可以看出，当电路参数一定时，开关周期与滞环宽度成正比。为保证开关频率基本固定，考虑在指令信号变化率不同阶段实施不同的滞环宽度。其基本思想就是将指令信号变化率相近的化为一个区域，此区域实行固定环宽滞环控制；不同区域实行变环宽控制，以保持总体的开关频率保持基本相同。根据以上分析，现以正弦信号为例进行实验验证。首先，根据正弦信号的变化率，将变化率绝对值相近的化为一个区域，不同区域实行不同的环宽设置，现将其划分为两个区域。如图4和图5所示为分段滞环控制实现原理框图。以指令信号的变化率作为开关选择信号，以实现指令信号变化率不同时，实施不同的滞环宽度控制。

图4 正弦函数区域划分示意图

图5 分段滞环控制实现原理框图

设置仿真参数如下:普通滞环控制器设置为电源电压母线为200V，电感为1mH，电阻为5 Ω。指令信号正弦波形，频率50Hz，幅值20，其他元器件参数为默认参数设置。普通滞环宽度设置为2。分段滞环控制在指令信号变化率不同处设置不同的滞环宽度，将正弦变化率分为两个区域(0，0.4ω和(0.4ω，1.0ω)，并分别设置滞环宽度为2和4。