李少龍，趙　琴，李文龍，崔　悅，王　凡，梅　燕

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

基于滑?？刂频娜郤VPWM逆變器研究

李少龍，趙琴，李文龍，崔悅，王凡，梅燕

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

摘要針對現(xiàn)有的三相全橋逆變器輸出電壓存在的動態(tài)性能差、對負(fù)載變化敏感等問題，提出了一種基于滑?？刂频妮敵鲭妷嚎刂品桨浮槭闺娐纺軌蛟诓煌妮d波頻率下運行，文中采用了電壓空間矢量脈寬調(diào)制三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明該方案使得輸出電壓具有較小的總諧波失真，并具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和負(fù)載適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞三相全橋逆變器；滑?？刂疲浑妷嚎臻g矢量脈寬調(diào)制

PWM技術(shù)就是對電路中開關(guān)元器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出得到等幅不等寬的脈沖，并按給定算法對脈沖調(diào)節(jié)，從而改變輸出電壓的大小或頻率[1]。而改進(jìn)的PWM技術(shù)，通過采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)來控制三相逆變器，且采用SVPWM調(diào)制的電路不僅能方便地數(shù)字化，還具有較高質(zhì)量的動態(tài)性能，不僅功率因數(shù)高，在全控型器件控制的電路中還能實現(xiàn)電能的雙向流動。本文在此基礎(chǔ)上給出了三相逆變器基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下PI閉環(huán)控制的控制模型和基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的滑?？刂频目刂颇Ｐ?。在滑?？刂频难芯恐校捎梦闹兴o出的趨近率，結(jié)合電路的狀態(tài)方程，給出了滑?？刂圃谀孀冸娐分械膽?yīng)用，并具體地討論了該控制方法下電路的輸出性能，通過對該控制模型仿真結(jié)果的分析證明其優(yōu)越性。

1三相全橋SVPWM逆變器

SVPWM算法不僅能夠用于電機控制中，還能用于控制逆變電路。該算法相對于傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制來說具有一定的優(yōu)越性，雖然說SPWM的硬件電路更易于實現(xiàn)，但SVPWM能降低脈沖轉(zhuǎn)矩，且對電壓的利用率也高[2-3]。

在矢量控制的三相逆變電路中，通常需要進(jìn)行一些坐標(biāo)變換，將輸出三相交流電流ia，ib，ic轉(zhuǎn)換為d-q坐標(biāo)系下的兩相直流電流id和iq；將輸出三相交流電壓ua，ub，uc轉(zhuǎn)變?yōu)閐-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相直流電壓ud和uq。其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下所示

(1)

(2)

三相逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其控制方法密不可分，常見的三相逆變器有兩電平三相電壓型逆變電路、三相四橋臂逆變器和三電平三相中點鉗位(NPC)逆變器[4]。本文所采用的三相逆變器具體的電路圖如圖1所示，其中R的值為1 Ω，LA=LB=LC=3 mH，Ca=Cb=Cc=1 200 μF，Vd=600 V

圖1　三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1采用的三相逆變器是三相電壓源型逆變器，在d-q坐標(biāo)系下采用PI控制能夠充分地發(fā)揮PI控制的優(yōu)勢[5-6]，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制對輸出信號發(fā)生突變造成的擾動具有良好的抑制效果。通過在Matlab中搭建在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓電流PI控制仿真模型，可得到表1 PI控制下的仿真結(jié)果。從表1可看到，當(dāng)保持其他參數(shù)不變的情況下，改變電路的載波頻率，會得到不同的輸出電壓基波幅值和輸出總諧波失真THD。當(dāng)載波頻率變化范圍為10～50 kHz時輸出電壓的基波幅值均為正常的，都比較接近311 V，其總諧波失真也很小，且在載波頻率f=50 kHz時，輸出電壓總諧波失真達(dá)到最小，但當(dāng)載波頻率達(dá)到60 kHz時，輸出幅值存在較大的誤差，且輸出電壓的總諧波失真也較之前有一定的增大。 所以，PI控制下的三相逆變電路，其輸出雖有較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的響應(yīng)速度，但在載波頻率變化范圍較大的情況下并不適用，為使載波頻率變化范圍較大且電路輸出較穩(wěn)定，本文研究滑?？刂圃谌嗄孀冸娐分械膽?yīng)用。

表1　PI控制下仿真結(jié)果

2滑模控制器的設(shè)計

雖在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，PI控制的三相逆變器輸出不僅能夠快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而且具有較小的總諧波失真，也有較高的穩(wěn)態(tài)精度。但在電路載波頻率變化較大的時候并不能始終使電路有穩(wěn)定的輸出，為使電路能夠更好地在不同載波頻率下運行，本文在三相逆變器電路中設(shè)計一種新型的滑?？刂破鞑趴刂齐娐返姆€(wěn)定輸出。在進(jìn)行滑模設(shè)計時，需要選擇合適的滑模面。由圖1可以得到三相逆變主電路的狀態(tài)方程表達(dá)式如下

(3)

其中，iL為電感電流；VC為電容兩端電壓；Vd為輸入電壓，其中Uo為R0兩端電壓，將上述等式寫為d-q軸上的表達(dá)式如下

(4)

選取電感電流和輸出電壓為狀態(tài)變量，即有x1=U0;x2=iL,此時，可得到滑模控制器中S函數(shù)如下

S=α1x1+α2x2

(5)

(6)

dd=

(7)

同理可得

dq=

(8)

由上述等式(5)、式(6)和式(7)可得到如下三相逆變電路的控制框圖。

圖2　三相逆變器滑?？刂葡碌目偪驁D

在圖2中，在該控制器中，反饋信號為ua，ub，uc，ia，ib，ic以及ioa，iob，ioc，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到d-q坐標(biāo)軸上的電信號，再經(jīng)過滑模控制器，其輸出信號再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及SVPWM調(diào)制，得到6路PWM脈沖，用來控制逆變器。圖3為滑?？刂破骶唧w框圖，其中dd和dq為控制器輸出信號，這兩個信號經(jīng)過坐標(biāo)變換后的輸出信號通過SVPWM調(diào)節(jié)，得到PWM脈沖。

圖3　滑?？刂破骺驁D

圖3中函數(shù)f1和f2的表達(dá)式分別為

(9)

(10)

在上述控制算法下，給出電路中各參數(shù)如下，LA=LB=LC=3 mH，CA=CB=CC=1 200 μF，R0=20 Ω，α1=α2=1，ε=6×105，開關(guān)頻率f=20 kHz當(dāng) 值不相同時，其中輸出電壓幅值的參考值為311 V，通過仿真可給出表2所示的仿真結(jié)果。

表2　滑模控制下仿真結(jié)果

表2是電路運行在穩(wěn)定狀態(tài)時在同一時刻取到的值，由表2可看到，當(dāng)k1,k2的取值微小時，輸出電壓的諧波失真比較小，且在k1=-60 000時，諧波失真達(dá)到最小，此后再減小則始終保持不變，但輸出電壓在50 kHz時，基波幅值在k1=-120 000時能達(dá)到理論值311 V，由仿真結(jié)果可看到，此控制器控制的逆變器輸出電壓較穩(wěn)定。解決了PI控制的三相逆變器輸出所遇到的存在穩(wěn)態(tài)誤差和輸出不太穩(wěn)定等問題。

3系統(tǒng)仿真與分析

以如圖1的三相逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在Matlab中搭建仿真模型時，負(fù)載是永磁同步電機，在PI控制器和滑?？刂破髯饔孟路謩e對永磁同步電機進(jìn)行控制，首先讓速度控制器采用PI控制，其中轉(zhuǎn)速參考值n*的值為600，isd和isq為同步電機定子電流，在PI控制中，P1的參數(shù)為Kp=18,Ki=10，而P2設(shè)置的參數(shù)為Kp=18,Ki=10，P3的參數(shù)為Kp=0.06,Ki=1，通過仿真可得到圖4所示的同步電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線。

圖4　PI控制下同步電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

然后讓速度控制器采用滑模控制器，得到的同步電機控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，通過仿真可得到圖6所示的同步電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線。

圖5　基于滑模控制的同步電機控制框圖

圖6　滑?？刂葡峦诫姍C轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

從上圖4和圖6可看到，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為5 N·m時，采用文中設(shè)計的滑?？刂频碾姍C，與之前采用PI控制器控制的電機相比，其轉(zhuǎn)矩到達(dá)穩(wěn)定時所需的時間明顯減小，且同步電機也能快速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速600，從同步電機定子電流曲線圖7，可看出整個系統(tǒng)在所設(shè)計的滑?？刂破鞯淖饔孟戮哂辛己玫目苟秳犹匦裕漭敵龇€(wěn)態(tài)誤差較小，且在三相交流輸出中，具有較小的總諧波失真指數(shù)。

圖7　同步電機定子電流曲線

4結(jié)束語

本文采用SVPWM調(diào)制的三相逆變電路不僅能便于數(shù)字化，還具有高質(zhì)量的動態(tài)性能，不僅功率因數(shù)高，在全控型器件控制的電路中還能實現(xiàn)電能的雙向流動。之后在此基礎(chǔ)上又設(shè)計了三相逆變器基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下PI閉環(huán)控制的控制模型和基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的滑?？刂频目刂颇Ｐ汀Ｍㄟ^Matlab仿真可看到，雖PI控制下的逆變電路的輸出具有響應(yīng)快、諧波分量小和基波幅值誤差小等優(yōu)點，但在載波頻率變化較大時，PI控制下的電路輸出便會受到較大的影響。而本文引進(jìn)的一種新型滑?？刂破?不僅解決了電路基波幅值難以達(dá)到理想值的缺點，同時也解決了PI控制下的電路輸出在載波頻率變化較大時輸出不穩(wěn)定的問題。最后通過對整個系統(tǒng)仿真可看到，在所設(shè)計的滑模控制作用下，同步電機能快速地達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，且電路的三相交流輸出中，具有較小的總諧波失真指數(shù)，其輸出響應(yīng)快，且穩(wěn)態(tài)誤差也較小，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和較強的負(fù)載適應(yīng)能力。

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Study on Sliding Mode Control in Three-phase SVPWM Inverter

LI Shaolong，ZHAO Qin，LI Wenlong，CUI Yue，WANG Fan，MEI Yan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

AbstractIn terms of the poor dynamic performance and sensitivity to load change in the output voltage of three-phase full bridge inverter, a output voltage control scheme based on sliding mode control is proposed. In order to make the circuit operate at different carrier frequencies, taking advantage of the three phase inverter topology structure of voltage space vector pulse width modulation (SVPWM), the simulation shows that the scheme makes the output voltage has a smaller total harmonic distortion, good steady performance and strong load adaptability.

Keywordsthree-phase full bridge inverter; sliding mode control; SVPWM

收稿日期:2015-10-28

作者簡介:李少龍(1972-)，男，碩士，講師。研究方向：電力電子非線性及控制。趙 琴(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：電力電子非線性及控制。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.036

中圖分類號TM 464+.32

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-124-04