滞环比较跟踪控制技术.docx
滞环比较跟踪掌握技术2010年07月05日作者：王宗峰1郭玲2李跃峰2周建华2党晓明2陈增禄2来源：中国电源博览Ill期编辑：ser1西安捷盛电子技术有限责任公司2西安工程高校电子信息学院摘要：介绍了PwM变换器的误差滞环比较跟踪掌握技术的原理、参数关系、优缺点等，并给出了仿真的试验结果。关键词：PwU变换器；滞环；跟踪掌握1引言滞环比较跟踪掌握是一种非线性砰-砰掌握方法，在各类闭环跟踪掌握系统中广泛应用。PWM变换器的跟踪掌握方法是PWM变换器的主要掌握方法之一，其中滞环比较方法因其结构简洁，响应速度快，参数鲁棒性好等优点，应用最为广泛。本文首先介绍了该方法的原理和基本波形;然后分析了其电路参数和系统特性之间的关系,指出了其主要优点和存在的问题;最终给出了仿真和试验波形。2基本原理PWM变换器滞环比较跟踪掌握方法原理示意图见图1。其中PWM变换器主电路以论文中的图1为例，采纳输出电流跟踪方式。图1的各点波形示于图2中。ir为参考输入电流指令，if为输出负载电流反馈。常环比较器电流跟踪误差为0=1(1)2h为对称滞环比较器的滞环宽度，当e>h时，输出PWM=L变换器输出电压u0=Ud,负载电流i。提升；当eV-h时，输出PwM=0,变+换器输出现二-山，负载电流L>下降。依此反复，便实现了对输出负载电流L的跟踪掌握，使其跟随指令电流J误差图2带环比较跟踪控制波形示意图H=f-zf.由于上下比较阈值相等，因此在每个开关周期之内，平均跟踪误差都为零。明显，滞环比较跟踪掌握只使用一个滞环比较器，特别简洁；每个开关周期之内平均跟踪误差都为零，跟踪响应特别快；简洁理解，由于跟踪掌握是闭环掌握，当直流母线电压Ud,负载参数R和L等电路参数发生变化时，不会影响跟踪的精度和稳定性，因此鲁棒性特别好。但是PwM变换器的开关周期TC可能大范围波动。当开关频率4过高时，PWM变换器的开关损耗增大，会使效率降低；当较低时输出谐波滤波器的体积增大，会使系统成本提高。这是滞环比较跟踪掌握方法的主要缺点。在滞环比较跟踪掌握的基本框架下（保持其优点），如何设法减小开关频率的波动范围，乃至使开关频率稳定不变（克服其缺点），始终是电力电子技术领域的科研人员的一个重要讨论课题。下面详细分析电流滞环比较跟踪掌握方法中电路参数和系统性能之间的关系。3理论分析以图1电路为例，只考虑负载由R和L组成的状况：当负载中包含反电动势时，分析方法相同，分析结果也类似。不过值得指出，当采纳滞环比较跟踪掌握方法时，总是要求负载具有一阶惯性特性。当输出电流跟踪时，一般都是RL负载；当输出电压跟踪掌握时，一般都是RC负载。分析的数学过程和方法相同，结论也类似。当PWM变换的输出为U0时，负载微分方程为%= Rio + L -y(2)当UFUd时，（2）式的解为ifS=4Q-c)(3)同理，当U。=-Ud时，（2）式的解为u-LW=一铲一），或rE（I-C）（4）Z/k=7,x=上二式中，r=%为负载惯性时间常数；'一'为电流传输系数。/是反馈电流if的稳态最大值。图2中i的全部提升段都是式（3）的一部分，全部下降段都是式（4）的一部分。现取图2中tt3之间的一个周期进行一般性分析，并重画于图3o图3开关频率分析在滞环比较跟踪掌握时，一般都可做如下两个假设,(5)T=Tl+T2=t3-t1=假设：RJ=假设2：ir（t）的最高频率重量开关频率：Tz（6）在匕时刻，按式（3）有（7）可求得3=1.Q（8）在匕七期间，依据假设1,式（3）可以用直线近似表示。对式（3）在匕点泰勒绽开并只取线性项，再将式（7）和（8）代入，得(0=(¾)÷(4XrTl)=t(q)i+4lT(Gjr/JJ(9)在tf点，Q(Qi<)+力,再考虑看=在一%代入上式，得i&)T(Q+2=匕7佃)一兄?(10)依据假设2,可以在tlt3期间对ir(t)线性近似，有4)-r(),(X-)=%'(4狂(11)代入式(10),得t时刻四周的输出反馈电流提升段时间为(12)同理可得出任意时刻t四周的输出反馈电流下降段时间为T(C2hG)+i,Q(式(12)和式(13)相加，得时刻t四周的开关周期TC为7；S=砌+欣)4r(Zfa+)"afa÷)2-if+f(14)w=或4r(Zf+)(15)当式(5)和(6)的条件强成立时，式(14)(15)的精度较高；反之当假设条件弱成立时，式(14)(15)的计算误差就会较大。滞环比较跟踪掌握技术2010年07月05日作者：王宗峰1郭玲2李跃峰2周建华2党晓明2陈增禄2来源：中国电源博览Ill期编辑：ser4仿真讨论考虑电流指令ir(t)正弦信号，并可求得其导数为，ir(t)=ImSin2Jlfrt(16)z(02Imcos2(17)将式(16)和(17)代入式(15),在MATLAB下用M函数可以求得一个指令周期内开关频率%的取值，计算结果示于图4。图4中，取l=60Hz,Im=5A,h=±0.1A,=3.7ms。由图可见，在一个指令周期内，£分别两次取得最大值和最小值；最大开关频率约为6.8kHz,平均开关频率约为4.35kHz,最低开关频率约为L9kHz。图4式(15)的计算结果依据本专题中所用单相桥式主电路模型，在MATLAB/Siniulink平台中搭建仿真模型，对滞环比较方式进行仿真讨论。图5为仿真结果，上图是实际电流信号与指令电流信号，中图是误差信号，下图是输出PWM信号。采纳的仿真参数为：滞环宽度h=±0.1A,指令电流幅值A=5A,指令电流频率fr=60kHz,图5为滞环比较方式仿真波形图。由上图可知，反馈信号能够快速跟踪指令信号，二者完全重合；由中图可知，误差限制在滞环±0.1A内，平均跟踪误差为零；由下图可知，PwM输出的平均开关频率为4.3kHz,最高开关频率为6.8kHz,最低开关频率约为1.9kHz；但是，开关频率波动较大。图5与图4比较，可知其取得最大与最小开关频率的位置，以及最大与最小平均开关频率的数值都是全都的。滞环比较跟踪掌握技术2010年07月05日作者：王宗峰1郭玲2李跃峰2周建华2党晓明2陈增禄2来源：中国电源博览Ill期编辑：ser5试验结果基于本专题论文中设计的主电路平台（反馈为电压信号）和所选参数（滞环环宽度h=+0.1A,指令电流幅值A=5A,指令电流频率f,=60Hz,Ud=IOOV）,对滞环比较方式进行了试验讨论。图6为滞环比较方式试验波形图，自上往下分别为指令电流信号，实际电流反馈信号（4A/格），跟踪误差信号（0.2A/格）。由图可知，实际反馈信号可快速跟踪指令信号，且平均跟踪误差几乎为零。但是，由于误差ADC采样周期约为4us,存在系统延时；这个4s延时,相当于滞环比较和定时比较相结合的跟踪掌握方法中有一个4S定时比较时间（论文IV）;使得e>0.1A,且平均跟踪误差并不严格为零。总体上说，试验结果与理论分析和仿真图5滞环比较方式仿真波形图结果是全都的。图6滞环比较方式试验波形图6总结PWM变换器的滞环比较跟踪掌握方法具有电路简洁、响应速度快、系统鲁棒性好等显著优点；不足是系统的开关频率波动较大。仿真讨论和试验结果均证明了上述结论。相关关键字：PWM变换器滞环跟踪掌握
