PWM變換器跟蹤控制技術(shù)概述

1、PW渡換器跟蹤控制技術(shù)概述作者單位：蘇州科技大學(xué)作者姓名：秦濤摘要：介紹了PW渡換器跟蹤控制技術(shù)的原理和研究進(jìn)展。對(duì)三種基本的PWM跟蹤控制方法作了對(duì)比分析，并簡(jiǎn)單介紹了幾種跟蹤控制的新方法。關(guān)鍵詞：PWM2換器；跟蹤控制；跟蹤誤差；開關(guān)頻率1引言脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation,PWM變換技術(shù)作為電力電子技術(shù)的重要組成部分，已隨著相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展廣泛應(yīng)用到各種電力電子變換產(chǎn)品之中。PW0法可分為開環(huán)調(diào)制和閉環(huán)跟蹤控制兩大類。規(guī)則采樣法和空間矢量調(diào)制方法是最常用的開環(huán)調(diào)制方法。PW齦蹤控制就是把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際輸出作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬

2、時(shí)值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷模式，使實(shí)際的輸出動(dòng)態(tài)跟蹤指令信號(hào)變化。PW齦蹤控制屬于非線性砰-砰控制的范疇，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和響應(yīng)速度快的顯著優(yōu)點(diǎn)。由于PW齦蹤控制方法屬于閉環(huán)調(diào)制，因此其穩(wěn)定性和輸出控制精度受系統(tǒng)參數(shù)影響較小，具有很好的魯棒性?；镜母櫩刂品椒òh(huán)比較方法，定時(shí)比較方法和線性調(diào)節(jié)的三角載波比較方法。滯環(huán)比較方法應(yīng)用最為廣泛，相關(guān)的學(xué)術(shù)研究也最多。嚴(yán)格地說，線性調(diào)節(jié)的三角載波比較不屬于跟蹤控制，但是通常都把它歸于跟蹤控制。本文首先概述了三種基本的跟蹤控制方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，然后簡(jiǎn)單介紹了跟蹤控制方法的最新研究進(jìn)展。2幾種常用PWM艮蹤控制原理跟蹤控制法中常用

3、的有滯環(huán)比較方式、定時(shí)比較方式和線性調(diào)節(jié)的三角載波比較方式。跟蹤控制的輸出可以是電流，也可以是電壓。2.1 滯環(huán)比較方式圖1給出了采用滯環(huán)比較方式的PW施流跟蹤控制單相橋式逆變電路原理示意圖。圖2給出了其跟蹤輸出PWlMfc形uo和輸出電流io波形。如圖1所示，把指令電流ir和實(shí)際電流if的偏差e=ir-if作為帶有滯環(huán)特性的比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件V1、V2、V3和V4的通斷。當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓uo=Ud,使得if增大，當(dāng)e<-h時(shí)，關(guān)斷V1和V4,開通V2和V3;當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時(shí)，uo=-Ud,使得if減小，當(dāng)e>h時(shí)，關(guān)斷V2和V3,開通V1和V4,

4、電流又開始增大。依此交替通斷，使得|e|&h以實(shí)現(xiàn)對(duì)ir的自動(dòng)跟蹤。即通過環(huán)寬為2h的滯環(huán)比較器的控制，if就在ir土h的范圍內(nèi)呈鋸齒狀地跟蹤指令電流ir0顯然只要設(shè)定足夠小的環(huán)寬h,就可得到希望的跟蹤精度。滯環(huán)比較跟蹤型PWM2變器的開關(guān)頻率受各種系統(tǒng)參數(shù)的影響，在不同的條件下逆變器開關(guān)頻率的變化很大。開關(guān)頻率過高會(huì)使主電路的開關(guān)功耗增大，影響系統(tǒng)效率；開關(guān)頻率過低時(shí)會(huì)使輸出濾波器（如果有的話）的體積增大。滯環(huán)比較跟蹤型PWMJ特點(diǎn)為：（1）控制電路簡(jiǎn)單，其核心只是一個(gè)滯環(huán)比較器；(2)屬于非線性砰-砰控制，使得跟蹤輸出響應(yīng)快；(3)當(dāng)選取滯環(huán)較小時(shí)，跟蹤精度可以很高；(4)屬于閉環(huán)

5、控制，所以其穩(wěn)定性和輸出控制精度受系統(tǒng)參數(shù)影響較小，具有很好的魯棒性。(5)開關(guān)頻率不固定，帶來開關(guān)損耗和輸出濾波器設(shè)計(jì)方面的矛盾。與開環(huán)調(diào)制方法相比，這是其主要缺點(diǎn)。(6)滯環(huán)比較型跟蹤控制的研究工作主要集中在如何穩(wěn)定開關(guān)頻率，至少是減少開關(guān)頻率的波動(dòng)范圍。軀動(dòng)電路圖1滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理示意圖圖2滯環(huán)比較跟蹤控制方式的原理波形圖本專題中論文田專門討論滯環(huán)比較跟蹤控制方法的開關(guān)頻率與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，并給出了相應(yīng)的仿2.2 定時(shí)比較方式滯環(huán)比較跟蹤方法可能導(dǎo)致較高的開關(guān)頻率，開關(guān)管的損耗較大，而開關(guān)頻率較低時(shí)，濾波器的體積偏大。定時(shí)比較跟蹤控制方式，可以有效地限制最高開關(guān)頻率。這種

6、方式不用滯環(huán)比較器，而代之以過零比較器，同時(shí)設(shè)置一個(gè)固定周期的定時(shí)器，在定時(shí)器每個(gè)輸出脈沖的上升沿對(duì)比較器的輸出進(jìn)行采樣，以決定輸出PW嘛沖的取值。定時(shí)比較方式的原理框圖如圖3所示。指令電流ir與輸出電流if相減得電流誤差e,當(dāng)e>0時(shí)比較器輸出D=1,反之，D=Q在每個(gè)定時(shí)脈沖的上升沿將D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)D寫到輸出Q端，在Q端即得到輸出PW瞰形。圖3定時(shí)比較跟蹤控制電路的各點(diǎn)波形示于圖4中。如果CP上升7&時(shí)D=1,意味著e=ir-if>0,PW喻出置“1”，止匕時(shí)V1和V4導(dǎo)通，uo=Ud使if快速上升，e的幅值減小。當(dāng)CP上升沿時(shí)D=0,意味著e<0,PW喻出置“0

7、”，此時(shí)V2和V3導(dǎo)通，uo=-Ud,使if快速下降，同樣使e的幅值減小。顯然，PWMfc形只有在定時(shí)器輸出CP的上升沿處才有可能發(fā)生跳變。無論是PW喻出的正脈沖寬度還是負(fù)脈沖寬度都不會(huì)小于定時(shí)器的周期T。如此便限制了PW喻出的最高頻率為fc.max<。過零比較器驅(qū)動(dòng)電路圖3定時(shí)比較方式電流跟蹤控制原理示意圖圖4定時(shí)比較跟蹤控制方式原理波形圖由圖4很容易理解，由于沒有限制誤差的幅值，使得輸出的誤差平均值可能不為零。這是定時(shí)比較跟蹤控制方式的主要缺點(diǎn)。當(dāng)然，這種控制方式并未能改善開關(guān)頻率可能過低的問題。真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。定時(shí)比較跟蹤控制型PWMJ法的特點(diǎn)為：(1)限制了開關(guān)管的最高頻率，可緩解

8、開關(guān)損耗可能過大的問題；(2)平均跟蹤誤差可能不為零，控制精度不高，該方法單獨(dú)使用的場(chǎng)合不太多。2.3三角波比較方式嚴(yán)格地說，基于線性調(diào)節(jié)的三角波比較跟蹤控制方法并不屬于直接誤差跟蹤控制方法，但通常都把它歸于跟蹤控制。圖5是采用三角波比較方式的電流跟蹤型PWME變器控制電路原理圖。該方法把指令電流ir和逆變電路實(shí)際輸出的反饋電流if進(jìn)行比較，求出偏差電流e,經(jīng)過線性調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，其輸出和三角波進(jìn)行比較，以產(chǎn)生PW雕制波形?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)PWME變器和負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，然后通過線性調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)來滿足閉環(huán)跟蹤控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。顯然，采用三角波比較方式時(shí)，PW瞰形的開關(guān)頻率由三角載

9、波唯一確定，保持固定不變，這是該方法的最大優(yōu)點(diǎn)。但是，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要?jiǎng)討B(tài)建模和線性調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)于滯環(huán)比較方式較為復(fù)雜，更重要的是，線性調(diào)節(jié)使得三角波比較方式的跟蹤速度相對(duì)較慢?；诰€性調(diào)節(jié)的三角波比較跟蹤控制方法在電力電子PW渡換器的控制中應(yīng)用最為廣泛。本專題中論文IV專門討論三角波比較跟蹤控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。F圖5三角波比較方式電流跟蹤控制示意圖三角波比較電流跟蹤型PWMI點(diǎn)如下：（1）開關(guān)頻率固定不變，為輸出濾波器的設(shè)計(jì)帶來了方便；（2）電路較為復(fù)雜，跟蹤控制的快速性不如滯環(huán)比較方式。3PWM艮蹤控制技術(shù)的發(fā)展PW喳換器跟蹤控制技術(shù)研究的目標(biāo)是最大限度地同時(shí)滿足三個(gè)目標(biāo)：（

10、1）保持開關(guān)頻率固定不變，以平衡開關(guān)損耗和輸出濾波器體積的矛盾；（2）保持每個(gè)開關(guān)周期的跟蹤誤差平均值為零；（3）簡(jiǎn)化算法，降低計(jì)算量。另一個(gè)研究方向是將跟蹤控制方法推廣應(yīng)用到多電平變換器中。3.1 準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)比較跟蹤控制方法4針對(duì)滯環(huán)比較跟蹤控制方法開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，該方法在滯環(huán)電流控制的基礎(chǔ)上，引入開關(guān)頻率閉環(huán)反饋，可使開關(guān)頻率基本固定。圖6為含有開關(guān)頻率反饋閉環(huán)的準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)電流控制系統(tǒng)示意圖。其中，e為跟蹤誤差，h為滯環(huán)寬度，D為輸出PW快形。fr為開關(guān)頻率給定輸入，ff為“開關(guān)頻率檢測(cè)電路”的輸出，作為開關(guān)頻率反饋，開關(guān)頻率跟蹤誤差ef=fr-ff經(jīng)“頻率調(diào)節(jié)器”動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后

11、，由其輸出來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)“滯環(huán)比較器”的滯環(huán)寬度h,以達(dá)到穩(wěn)定開關(guān)頻率的目的。這種方法可保證電流跟蹤誤差平均值為零；經(jīng)頻率調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)時(shí)可使開關(guān)頻率相對(duì)穩(wěn)定不變，但是在動(dòng)態(tài)過程中開關(guān)頻率可能會(huì)有較大波動(dòng)。因此稱為準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)比較跟蹤控制方法。3.2 雙重調(diào)制跟蹤控制方法56該方法為基于幅值調(diào)制和時(shí)間調(diào)制相結(jié)合的“雙重調(diào)制”電流跟蹤控制方法。將滯環(huán)電流比較器和開關(guān)周期定時(shí)器相結(jié)合，通過設(shè)定比較器的下閾值來決定實(shí)際輸出電流的下限；由定時(shí)器的定時(shí)周期決定實(shí)際輸出電流的上限。如圖7所示為其原理示意圖，其中，R為單邊閾值比較器輸出脈沖序列，F(xiàn)為周期定時(shí)器輸出脈沖序列。F的上升沿用來同步PWMJ出

12、的下降沿，R的上升沿用來同步PW喻出的上升沿。這種方法可保證開關(guān)頻率固定不變，但是跟蹤誤差平均值可能不為零，且存在跟蹤穩(wěn)定性問題。根據(jù)本周期跟蹤誤差動(dòng)態(tài)預(yù)估下一周期的下閾值，可同時(shí)解決跟蹤平均誤差不為零和跟蹤穩(wěn)定性兩個(gè)問題。本專題中論文VI專門介紹該方法的相關(guān)研究工作進(jìn)展。3.3 多電平PW度換器的跟品§控制方法口為了緩解PW渡換器的電壓較高時(shí)開關(guān)器件的耐壓不足、電磁噪聲較大，同時(shí)為了減少變換器輸出的諧波含量，多電平PW度換器應(yīng)運(yùn)而生，并且成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。最典型的一種多電平跟蹤控制方法是，根據(jù)電平數(shù)目增加誤差比較器的滯環(huán)數(shù)，即N電平變換需要N-1個(gè)滯環(huán)，用以判斷電

13、平階梯跳變，實(shí)現(xiàn)多電平跟蹤。開關(guān)頻率檢測(cè)電路-n版本調(diào)節(jié)器月區(qū)圖6準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)比較電流跟蹤控制原理示意圖圖8以三電平變換為例，在B1環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)-1和0的二電平PWMg換，在B2環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)0和1的二電平PW座換，通過兩個(gè)滯環(huán)的限制完成三電平的PW雌制。該方法魯棒性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但存在穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。圖7雙重調(diào)制PW齦蹤控制方法原理示意圖多電平PW渡換器跟蹤控制方法的研究論文較多，大多是基于滯環(huán)比較方式的。除了仍然需要研究穩(wěn)定開關(guān)頻率和減少跟蹤誤差外，重點(diǎn)是研究實(shí)時(shí)判斷電平階梯跳變的方法和提高電平階梯跳變的響應(yīng)速度。圖8三電平PW喳換器跟蹤控制波形圖本專題中沒有專門討論多電平跟蹤控制方法。4結(jié)論跟蹤

14、控制方法是電力電子PW度換器一種重要的控制方法。其技術(shù)核心是誤差滯環(huán)比較器，屬于非線性閉環(huán)砰-砰控制，具有控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，系統(tǒng)魯棒性好等很多優(yōu)點(diǎn)，因此具有很好的應(yīng)用前景。PW喳換器跟蹤控制的研究工作主要分為兩個(gè)方面。一是研究穩(wěn)定開關(guān)頻率；二是研究該方法在多電平變換器中的推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1馬立華，陳伯時(shí).電流滯環(huán)跟蹤控制分析，上海輕工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1997,18(1):46522王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000:150-169.3蔚泉清，陳增祿，侯小華，毛惠豐.定時(shí)和滯環(huán)相結(jié)合的跟蹤控制方法研究J,中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì).4楊旭，王兆安.一種新的準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)PWW流控制方法J,電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003,3:2428.5侯小華.“雙重調(diào)制”跟蹤控制方法的研究，西安工程大學(xué)，碩士學(xué)位論文D,20076陳增祿，任記達(dá)，毛惠豐，王兆安.新型雙重調(diào)制電流跟蹤控制方法的研究J,電網(wǎng)技術(shù)