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文檔簡介

1、2006年7月 第21卷第7期電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYVol.21 No.7Jul. 2006PWM整流器的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制趙葵銀(湖南工程學(xué)院電氣與信息工程系 湘潭 411101)摘要 結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制與模糊控制兩者的優(yōu)點(diǎn),提出了PWM整流器的模糊滑模變結(jié)構(gòu)新型復(fù)合控制方案,使PWM整流器既具有變結(jié)構(gòu)控制的良好魯棒性,又能最大限度的減小抖振。文章給出了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型,分析了PWM整流器的空間矢量脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法,著重探討了模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)能保證有很高的功率因數(shù)

2、和輸入電流較好的正弦度;能適應(yīng)負(fù)載的擾動和非線性變化;具有良好的動靜態(tài)性能。關(guān)鍵詞:PWM整流器 滑模變結(jié)構(gòu)控制 模糊控制 振動 中圖分類號:TM461PWM Rectifier With Fuzzy Sliding Mode Variable Structure ControlZhao Kuiyin(Hunan Institute of Engineering Xiangtan 411101 China)Abstract A novel compound control scheme for PWM rectifier with fuzzy sliding mode variable str

3、ucture control is presented, which integrates advantages of sliding mode variable structure control and fuzzy control. It makes that PWM rectifier not only has excellent robust of variable structure control, but also minimizes vibration. Mathematical model of PWM rectifier is deducted, A easy space

4、vector pulse width modulation scheme is analyzed, and fuzzy sliding mode variable structure control regulator is designed. Experiment results show that power factor of the system is 1 and the waveform of input current is sine waveform by the novel control strategy, and the state of the PWM rectifier

5、 can be hold to disturbance or nonlinear variety of load. Furthermore, good dynamic and static performance is indicated in the system.Keywords:PWM rectifier, sliding mode variable-structure control, fuzzy control, vibration的控制效果,動態(tài)性能差。為此,國內(nèi)外學(xué)者先后提出了一些先進(jìn)的控制策略用于PWM整流器的電流控制,如:狀態(tài)反饋控制、二次最優(yōu)控制、時間最優(yōu)控制、基于Lyap

6、unov穩(wěn)定性理論等14。但這些控制策略都有一定的缺點(diǎn),且難以數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。本文提出一種將模糊控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的復(fù)合控制方案,結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的PWM整流控制相比,該方案對被控對象的數(shù)學(xué)模型要求不高,對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界擾動不敏感,具有控制目標(biāo)明確,計(jì)算量小,實(shí)時性好,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)6,7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)的功率因數(shù)接近單位功率因數(shù),輸入電流波形為正弦,并且系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)載的擾動和非線性變化。1 引言PWM控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為整流器性能的改進(jìn)提供了變革性的思路和手段,結(jié)合了PWM控制技術(shù)的新型整流器稱為PWM整流器。由于PWM整流器實(shí)現(xiàn)了輸入電流的正弦化,且運(yùn)行于單位功

7、率因數(shù),能量可雙向傳輸,因而真正實(shí)現(xiàn)了“綠色電能變換”。PWM整流器的核心是電流控制,如何提高整流器的功率因數(shù)并改善輸入電流波形是人們追求的目標(biāo)。由于PWM整流器是一個非線性、時變不確定系統(tǒng),采用常規(guī)PID控制很難達(dá)到理想湖南省教育廳資助項(xiàng)目(04C181)。 收稿日期 2005-08-01 改稿日期 2005-11-2450電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2006年7月2 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型圖1所示是三相PWM整流器的主電路及各變量的定義。RL為直流側(cè)負(fù)載,C為直流電容,R和L為電感器等效參數(shù)。其中Va、Vb、Vc為PWM三相控制電壓。長度為Em的電壓矢量Vi(i=16)組成一個正六邊形,V0,

8、V7代表自由旋轉(zhuǎn)態(tài)的零電壓矢量。圖2 電壓空間矢量圖Fig.2 Diagram of voltage space vectors圖1 三相電壓型PWM整流器Fig.1 Main circuit of three-phase voltage-sourcePWM rectifier取變換矩陣Tabcdq為122+cos()cos()cos()33222(3) =sin()sin(sin(+)333設(shè)ea,eb,ec為三相對稱交流電源,根據(jù)整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其數(shù)學(xué)模型為TabcdqSb+Sc2SadiavdcLdt=eaRia+3Ldib=eRi+Sa+Sc2Sbvbbdc3dt(1) di2S

9、SS+cabcLvdc=ecRic+dt3dvveLCdc=Saia+Sbib+ScicdcdtRL式中,Sa,Sb,Sc分別表示三相橋臂的開關(guān)函數(shù)。為了控制方便,將PWM三相控制矢量Va,Vb,Vc向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)dq軸進(jìn)行轉(zhuǎn)換(Park變換)VdVaVq=TabcdqVb (4) 0Vc這樣可將控制矢量V分解成相鄰兩矢量來計(jì)算,在dq軸其作用時間分別為|V|sin(/3)Tst1=Vdc(5) t=|V|sinT2sVdct0=Tst1t2 其中:S=1,代表對應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷;S=0,代表對應(yīng)的橋臂下管導(dǎo)通,上管關(guān)斷。3 空間矢量脈寬調(diào)制對于理想的三相正弦電壓,電壓空間矢量定義為

10、:V=ea+aeb+a2ec(其中a=ej2/3)。這種變換的實(shí)質(zhì)是三相靜止abc坐標(biāo)系向兩相靜止 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換(Clark變換)。用矩陣表示為1VV=0eaeb (2) ec式中|V|=+arctg(VqVd)(其中= t)。應(yīng)用中為了防止電壓參考矢量超出整流器所能承受的最大電壓,對整流導(dǎo)通時間進(jìn)行限制4。'=即若t1+t2>Ts,則t1t1t'Ts,t2=2Ts,t0=0。t1+t2t1+t2對電壓矢量所處的區(qū)間,通過 結(jié)合其三角函數(shù)可方便地確定。這樣對每個控制電壓矢量,都對應(yīng)著 坐標(biāo)系中PWM開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)電壓矢量V如圖2所示。代表6個有效狀態(tài)共有23=8種取值,PWM

11、各管導(dǎo)通方式和時間,即可實(shí)現(xiàn)基于電壓空間矢量的PWM整流控制。第21卷第7期趙葵銀 PWM整流器的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制 51對圖1進(jìn)行分析,可得整流器三相靜止坐標(biāo)方程diaea=Ldt+Ria+Vadib+Rib+Vb (6) eb=LdtdiceL=+Ric+Vccdt合兩者的優(yōu)點(diǎn),由滑模變結(jié)構(gòu)來控制系統(tǒng)及其穩(wěn)定 性;由模糊控制調(diào)節(jié)整個正常運(yùn)動段以減弱抖振8,9。其實(shí),變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抖振的原因主要是達(dá)到切換線附近速度過快,開關(guān)控制力有限和開關(guān)的慣性使運(yùn)動難以立即反向,造成對切換線的來回穿越形成抖振5。本文中采用的方法是:當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)遠(yuǎn)離滑模切換線時,加大控制量使ufuzz較大,加快正常運(yùn)動段的響應(yīng)

12、速度;當(dāng)系統(tǒng)接近滑模切換線時,適當(dāng)減小控制作用,防止系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)以過大速度沖過切換線造成系統(tǒng)抖動,所以適當(dāng)調(diào)節(jié)模糊控制器的特性,使整個系統(tǒng)既具有快速性又能有效減弱抖動。令滑模切換函數(shù)s=kX1+X2 (9)通過對矩陣Tabcdq進(jìn)行變換后,可得整流器旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系方程did=Liq+Rid+VdeLddt(7) diqe=LLid+Riq+Vqqdt因?yàn)閑a,eb,ec為對稱三相電壓,所以令ed=Em,eq=0則可得控制電壓Vd,Vq為did=+LiqRid+EmVLddt(8) diV=Lq+LiRiqdqdt定義滑動模態(tài)正常運(yùn)動段趨近率&=signs >0 (10) s定義穿過原

13、點(diǎn)并垂直于滑模切換線s=0的直線為d=0,由于狀態(tài)點(diǎn)到d=0和到s=0的距離的平方和也表示了狀態(tài)點(diǎn)到原點(diǎn)的距離平方,所以狀態(tài)點(diǎn)距離直線d=0和到s=0越近,控制ufuzz的幅度就越小(就越小),反之就越大。這樣在切換線s=0附近減小系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)趨近切換面的速度就可以減弱系統(tǒng)的抖振。設(shè)計(jì)出的滑模變結(jié)構(gòu)控制式為di*vdc+si=Ldt(11) *=(ic+iL)(skCvvvdc設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案如圖3。其中,三相靜止坐標(biāo)系輸入電流值ia,ib,ic通過電流傳感器采樣,再經(jīng)3/2變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流值id,iq,再經(jīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制。控制電壓矢量Vd,Vq通過空間矢量脈寬調(diào)制得到對應(yīng)的開關(guān)函數(shù)信號

14、Sa,Sb,Sc對應(yīng)6個IGBT管的開關(guān)狀態(tài)。輸出負(fù)載上的直流電壓vdc經(jīng)反饋比較,再經(jīng)控制器的作用決定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流給定值id的大小。其中,si,sv分別為電流、電壓控制滑模面,k為常數(shù)。本文的模糊控制系統(tǒng)采用雙輸入單輸出形式,兩個輸入就是系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)到切換線s=0和直線d=0的距離,分別記做Ls和Ld;輸出記做Lu。根據(jù)模糊規(guī)則if Ld is LDi and Ls is LSj then ufuzz is FUK圖3 PWM整流器的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方案 Fig.3 Block diagram of PWM rectifier with fuzzy slidingmode variable

15、 structure control scheme(12)其中,LDi對應(yīng)Ld的語言變量;LSj對應(yīng)Ls的語言變量;FUK為對應(yīng)Lu的語言變量。設(shè)語言變量LD取:PB,PS,NS,NB;語言變量LS?。篜B,PS,4 模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)把滑模變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制相結(jié)合可以綜PZ,NZ,NS,NB;語言變量FU?。篜B,PS,PZ,NZ,NS,NB,其中PB為正大,PS為正小,PZ為正零,NZ為負(fù)零,NS為負(fù)小,NB為負(fù)大。52電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2006年7月動電路采用EXB841。實(shí)驗(yàn)參數(shù):進(jìn)線濾波電感L為6mH,直流母線濾波電容C為兩個450V/2200µF的電容串聯(lián),

16、電阻負(fù)載為40,整流電路開關(guān)頻率為8kHz,交流輸入電壓為120V,直流輸出電壓為200V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5a可以看出,系圖4 模糊控制規(guī)則圖 Fig.4 Diagram of fuzzy control rule統(tǒng)經(jīng)過兩個電源周期,輸出直流電壓與交流側(cè)輸入電流都達(dá)到穩(wěn)定,響應(yīng)速度快,穩(wěn)定后的輸出直流電壓波形脈動小。從圖5b可以看出,整流器交流側(cè)輸入電壓波形與電流波形同相位(取a相),輸入電流總畸變率為2.5%,基本接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波,功率圖5c是負(fù)載變化時整流器的運(yùn)行情因數(shù)近似為1。況,負(fù)載電阻RL由40變?yōu)?0,輸出功率增大,而直流輸出電壓基本保持不變,交流輸入電流過渡平穩(wěn),顯示了模

17、糊滑模變結(jié)構(gòu)控制的PWM整流器具有良好的輸出特性。由圖4可知切換線s=0和直線d=0將平面分為4個對稱的部分,所以控制的幅度也是對稱的。只需選擇|Ld|、|Ls|作為模糊控制器的輸入,|Lu|作為模糊控制器的輸出。這樣LD、LS、FU的論域就分別減少一半,規(guī)則從24條減為6條。設(shè)|Ld|的論域?yàn)閄=0,6,|Ls|的論域?yàn)閅=0,8,|Lu|的論域?yàn)閆=0,8。隸屬度函數(shù)為三角形,并且各隸屬度函數(shù)曲線相交處的隸屬度為0.5,最后根據(jù)重心法6,7求得控制量|Lu|的值為表1。表1 控制變量|Lu|的輸出值 Table.1 Out value of control variable |Lu|Ld|

18、Ls|0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 2.9 0.98 3.48 4 3.58 4.48 5.155.111 0 1.52 3.76 3.48 4 4.11 4.48 5 6.67 2 0 3 3.52 3.48 4 4.12 4.48 4.193 0 3 3.66 4 4.124 0 3.33 4 4.33 4.486.674.12 4.48 5 6.67 4.48 4.48 4.676.675 0 4 4.28 4.81 5 4.67 4.67 5 6.67 6 0 5.58 4.48 5 6.676.44 6.44 6.6 6.67令控制量u由變結(jié)構(gòu)分量usm和模糊分量ufu

19、zz兩部分組成u=usm+ufuzz (13)其中usm和ufuzz要符合如下條件dss<0 (14) dt=ufuzz (15)其中 為常量,式(14)保證系統(tǒng)滿足模糊變結(jié)構(gòu)的條件,式(15)保證ufuzz控制滑模到達(dá)切換線時的趨近律,減少系統(tǒng)抖振的幅度。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析采用DSP320F240為控制核心,實(shí)現(xiàn)三相電壓型PWM整流器的全數(shù)字控制,主電路開關(guān)元件采用三菱公司的PM400CVA060IPM模塊,主開關(guān)驅(qū)圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experiment waveforms第21卷第7期趙葵銀 PWM整流器的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制 534 Ambrozic V, Fiser R,

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21、rahim Z, Levi E, Williams D. Fuzzy logic versus PI speed control of servo, a comparison. Proceedings of the 8th International Power Electronic & Motion Control Conference, 1998, 4: 3439 7 8 9從爽. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)及其在運(yùn)動控制中的應(yīng)用. 合肥: 中國科技大學(xué)出版社,2001王豐堯. 滑模變結(jié)構(gòu)控制. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001王江,王家軍.電力電子開關(guān)變換器的滑??刂?電機(jī)與控制學(xué)報(bào),20

22、00(3):188192作者簡介趙葵銀 男,1968年生,副教授,研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動、過程控制。6 結(jié)論本文針對PWM整流控制的特點(diǎn),把滑模變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制相結(jié)合,提出了模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方案,電流變結(jié)構(gòu)控制具有對被控對象數(shù)學(xué)模型要求不高,對干擾和抖振的完全適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn),而模糊控制調(diào)節(jié)整個正常運(yùn)動段可以減弱抖振。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:三相電壓型PWM整流器中采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方案,系統(tǒng)響應(yīng)速度快,有很強(qiáng)的魯棒性,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制,且輸入電壓電流均為正弦,驗(yàn)證了控制方案的有效性。參考文獻(xiàn)1 2張崇巍,張興. PWM整流器及其控制. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003Marian

23、P Kazmierkowski, Liugi Malesani. Current con- trol techniques for three-phase voltage-source PWM converters: a survey. IEEE Trans actions on Ind ustry Electronics, 1998, 45(5): 691703 3Pena R S, Cardenas R J, Clare J C. Control strategies for voltage control of a boost type PWM converter. IEEE-PESC

24、Annu Meeting, Conf. Rec., 2001, 2: 730735(上接第48頁)調(diào)節(jié)器。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用這種控制方法,control method for a leading power factor voltage source PWM rectifier. IEEE Trans. on Power Electronics, 1994, 9 (2): 1531595 Wu R, Dewan S B, Slemon G R. A PWM AC-to-DCconverter with fixed switching frequency. IEEE Trans. on Industry Applications, 1990, 26 (5): 880885 6 Song H S, Nam K. Dual current control scheme forPWM converter under unbalanced input voltage conditions. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 1999, 46 (5): 9539597 Lin B R, Le Y C. Three-

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