分段滯環(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)

0 引言

模擬式滯環(huán)控制響應(yīng)快，控制精度高，滯環(huán)寬度固定，開(kāi)關(guān)頻率變化范圍大；數(shù)字式滯環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)滯環(huán)環(huán)寬，縮小開(kāi)關(guān)頻率的變化范圍，抗干擾能力強(qiáng)，控制具有一定的滯后性，實(shí)施起來(lái)相對(duì)復(fù)雜些。在此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了分段滯環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率基本保持不變，且具有頻率響應(yīng)較快，控制實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)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(dāng)指令電流Iref處于正半周期時(shí)，且當(dāng) I0-Iref＞△I時(shí)，滯環(huán)電流控制器給VT1開(kāi)關(guān)管施加門(mén)極關(guān)斷信號(hào)，給VT2開(kāi)關(guān)管延時(shí)施加正向門(mén)極觸發(fā)信號(hào)；此時(shí)，由于負(fù)載是阻感負(fù)載，負(fù)載電流維持原先方向繼續(xù)流動(dòng)，通過(guò)VD2續(xù)流二極管向電源側(cè)饋能，同時(shí)VT2開(kāi)關(guān)管由于承受反壓不能導(dǎo)通；輸出電流逐漸減小，當(dāng)I0-Iref=0時(shí)，饋能過(guò)程結(jié)束后，VT2導(dǎo)通，負(fù)載電流方向翻轉(zhuǎn)，輸出電流繼續(xù)減小；當(dāng)I0-Iref＜—△I，滯環(huán)電流控制器輸出給VT2施加門(mén)極關(guān)斷信號(hào)，給VT1開(kāi)關(guān)管延時(shí)施加正向門(mén)極觸發(fā)信號(hào)；同理，此時(shí)由VD1向直流電源側(cè)饋能，當(dāng)I0-Iref=0，饋能過(guò)程結(jié)束后，VT1導(dǎo)通，負(fù)載電流繼續(xù)增大；當(dāng)I0-Iref＞△I時(shí)，滯環(huán)電流控制器給VT1開(kāi)關(guān)管施加門(mén)極關(guān)斷信號(hào)，給VT2開(kāi)關(guān)管延時(shí)施加正向門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，如此循環(huán)下去。當(dāng)指令電流在負(fù)半周期時(shí)，同理分析。工作過(guò)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(kāi)關(guān)頻率分析

在高頻逆變電路中，對(duì)于阻感負(fù)載來(lái)說(shuō)，負(fù)載充電時(shí)［3-4］:

解得:

則有:

向電源側(cè)饋能時(shí):

解得:

可見(jiàn)在t較小時(shí)，有i(t)呈近似線(xiàn)性變化，而對(duì)于開(kāi)關(guān)電路來(lái)說(shuō)，工作頻率比較高，因此周期時(shí)間比較小，作此近似是合理。

進(jìn)一步說(shuō)明滯環(huán)控制具體工作原理及開(kāi)關(guān)頻率關(guān)系式，就單個(gè)周期的波形進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)說(shuō)明，如圖3所示為單個(gè)開(kāi)關(guān)周期的參數(shù)。

同理可得電流變化率為:

圖3 單個(gè)開(kāi)關(guān)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(zhǎng)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(hào)變化相關(guān)，導(dǎo)致上升與下降的夾角變化，最終導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率的變化。可見(jiàn)指令電流的變化導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)頻率的變化。因此可以根據(jù)指令信號(hào)的變化，改變滯環(huán)控制環(huán)寬寬度，以達(dá)到開(kāi)關(guān)頻率基本穩(wěn)定的目標(biāo)。

3 實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)以上分析，根據(jù)指令信號(hào)變化率與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系，同時(shí)由式(12)可以看出，當(dāng)電路參數(shù)一定時(shí)，開(kāi)關(guān)周期與滯環(huán)寬度成正比。為保證開(kāi)關(guān)頻率基本固定，考慮在指令信號(hào)變化率不同階段實(shí)施不同的滯環(huán)寬度。其基本思想就是將指令信號(hào)變化率相近的化為一個(gè)區(qū)域，此區(qū)域?qū)嵭泄潭ōh(huán)寬滯環(huán)控制；不同區(qū)域?qū)嵭凶儹h(huán)寬控制，以保持總體的開(kāi)關(guān)頻率保持基本相同。根據(jù)以上分析，現(xiàn)以正弦信號(hào)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，根據(jù)正弦信號(hào)的變化率，將變化率絕對(duì)值相近的化為一個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域?qū)嵭胁煌沫h(huán)寬設(shè)置，現(xiàn)將其劃分為兩個(gè)區(qū)域。如圖4和圖5所示為分段滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)原理框圖。以指令信號(hào)的變化率作為開(kāi)關(guān)選擇信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)指令信號(hào)變化率不同時(shí)，實(shí)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(shí)現(xiàn)原理框圖

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

圖6 普通滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率圖

圖7 分段滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率圖

圖6 普通滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率圖，圖7分段滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率圖，對(duì)比可以看出分段滯環(huán)控制可以保持開(kāi)關(guān)頻率基本不變，由圖6在指令信號(hào)變化較高處，開(kāi)關(guān)頻率比較高，而圖7中開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較均勻，可以看出分段滯環(huán)控制可以較好的解決了開(kāi)關(guān)頻率不固定的問(wèn)題。

［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(mǎn)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.