本文對三電平逆變電路作深入研究，應(yīng)用二自由度控制設(shè)計(jì)模擬PID控制電路，保證系統(tǒng)在階躍信號給定條件下的恒流系統(tǒng)輸出和良好的抗擾動性能。本文采用二自由度控制設(shè)計(jì)三電平逆變電路控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了每個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和應(yīng)用二自由度控制算法進(jìn)行滿足若干性能要求的擾動與跟隨兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，結(jié)合抽象出來的被控對象數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，并和常規(guī)方法設(shè)計(jì)的PID調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了多方面比較，明確了所選擇參數(shù)的控制可行性及控制方法的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】三電平 逆變電源 脈沖寬度調(diào)制 控制電路

1 主電路特性及參數(shù)選擇

1.1 主電路工作原理

圖1為主電路拓?fù)鋱D，C1～ C6為寄生電容，Css為飛跨電容，Lr為諧振電感，含變壓器原邊漏感。

分析之前，作如下假設(shè)：

（1）所有開關(guān)管、二極管、電感、電容和變壓器均為理想元件；

（2）C1= C2= C3= C4=C3L，C5= C6=C2L；

（3）輸出電感足夠大，可以近似認(rèn)為是一個恒流源，Io為輸出電流；

（4）飛跨電容足夠大，其電壓基本不變；輸入分壓電容足夠大且相等。

圖2是主電路波形。一個開關(guān)周期包括14個模態(tài)。

（1）[t0，t1]：t0前，開關(guān)管1、2和6導(dǎo)通。副邊DR1導(dǎo)通，原邊向副邊傳遞能量。t0時關(guān)斷開關(guān)管1，輸出電流折算到原邊與諧振電感串聯(lián)，給電容1恒流充電，電容4放電。由于電容電壓不能突變，則開關(guān)管1為零電壓關(guān)斷。

（2）[t1，t2]：D7導(dǎo)通，開關(guān)管4的電壓被箝位在零，原邊繼續(xù)向副邊傳遞能量。

（3）[t2，t3]：t2時關(guān)斷開關(guān)管2，輸出電流折算到原邊與Lr串聯(lián)，對電容2恒流充電，電容3放電，由于電容電壓不能突變。電容2和3使開關(guān)管2為零電壓關(guān)斷。

（4）[t3，t4]：D3和D4導(dǎo)通，將開關(guān)管3和4兩端電壓箝位在零，此時開通開關(guān)管3和4則為零電壓開通。

（5）[t4，t5]：t4時刻，零電壓關(guān)斷開關(guān)管6，電容6充電，電容5放電。變壓器原邊電壓由零變?yōu)樨?fù)值，使原邊電流下降，不足以提供濾波電感電流，此時DR1和DR2同時導(dǎo)通，將原副邊電壓箝位在零。

（6）[t5，t6]：t5時刻，D5導(dǎo)通，開關(guān)管5兩端電壓箝位在零，此時零電壓開通開關(guān)管5。由于DR1和 DR2仍同時導(dǎo)通，負(fù)的輸入電壓值加在諧振電感上，原邊電流線性下降。

（7）[t6，t7]：t6時刻，原邊電流下降為零，且繼續(xù)反向增加。t7時刻，原邊電流達(dá)到負(fù)的折算到原邊的輸出電流后，DR1關(guān)斷，所有負(fù)載電流流過DR2。

（8）[t7，t8]：t7之后，原邊向副邊傳遞能量。t8時刻關(guān)斷開關(guān)管4，電路進(jìn)入下半周期，與上半周期類似。

1.2 主電路特性

1.2.1 占空比丟失

在上半周期的4～7時段和下半周期的12～15時段，原邊電流從正向變化到負(fù)向折算到原邊負(fù)載電流時，由于原邊不足以提供負(fù)載電流，副邊整流后電壓仍為零，即副邊丟失了此部分時間電壓。這部分時間與周期的一半的比值即為占空比丟失。

1.2.2 輸出濾波電感

若輸出電壓大于等于Vin/2K，則電感電流在輸入電壓值時刻持續(xù)上升。

若輸出電壓小于Vin/2K，則電感電流在輸入電壓值得一半時刻持續(xù)下降。

1.3 器件選擇及參數(shù)計(jì)算

1.3.1 技術(shù)參數(shù)

（1）輸入直流電壓：200～400V；

（2）輸出直流電壓：60V；

（3）輸出電流：200A；

（4）開關(guān)頻率：100KHz。

1.3.2 變壓器變比

在輸入電壓最小時，取最大占空比為0.8，由參考文獻(xiàn)[2]可知，輸出整流二級管的導(dǎo)通壓降值為0.7V，可得原副邊匝比為3：1。

1.3.3 諧振電感的選擇

要使兩電平橋臂的開關(guān)管在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開通，可增大諧振電感，但這將增大占空比丟失，則需減小變壓器原副邊匝比以得到所需輸出電壓。而原副邊匝比的減小將會使整流二級管電壓應(yīng)力增大，原邊電流也會增大。因此一般使最低輸入電壓、滿載輸出時的最大占空比小于0.1。

由上述分析得諧振電感值為3?H。根據(jù)變比公式，則開關(guān)管的最大占空比為0.95，小于1，因此，諧振電感值的選擇是合理的。

1.3.4 濾波電感的選擇

濾波電感值應(yīng)滿足下列關(guān)系：濾波電感的波動值與輸出電流的比值小于或等于百分之0.5，由前文分析得：濾波電感取420?H。

1.3.5 其他參數(shù)的選擇

橋式整流二極管選1S1834，其正向電流為1.5A，反向電壓為400V，正向壓降為1.2V，恢復(fù)時間為100ns，具有較強(qiáng)的浪涌承受能力和較高的工作穩(wěn)定性。

電路開關(guān)器件有三電平橋臂和兩電平橋臂，均選擇絕緣柵型晶閘管，它的承受電壓值和正向電流不同，且要保留裕量，三電平橋臂開關(guān)管為WS-315，兩電平橋臂開關(guān)管為WS-600，二者平均結(jié)電容分別為420皮法和600皮法，則選C3L為336皮法，C2L為800皮法。

2 二自由度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。

其中，R為給定輸入信號；

G1（s）為前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； G2（s）為反饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；

G3（s）為功率變換器的傳遞函數(shù)； G4（s）為濾波器的傳遞函數(shù)；

G6（s）為反饋分流器的傳遞函數(shù)； Ni為網(wǎng)壓擾動。

2.2 二自由度控制原理

由于PID控制有良好性能而得到廣泛應(yīng)用?？刂破黜毚_定的參數(shù)有比例增益、積分時間和微分時間。對于一個好的控制系統(tǒng)，須滿足以下條件：較好的抑制擾動和噪聲的性能；較好的跟蹤性能。利用二自由度控制原理，給出一種二自由度PID控制算法，使控制系統(tǒng)既具有跟蹤性能又能抑制干擾。

圖4所示，它受到擾動D和噪聲N的作用。Gc（s）是控制器的傳遞函數(shù)，Gp（s）是被控對象的傳遞函數(shù)。設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)固定不變，對此系統(tǒng)，可得：

圖5所示系統(tǒng)，各符號意義與圖4相同，F(xiàn)是前置傳遞函數(shù)。

同上可得：傳函Gyn'同式（1）；傳函Gyd'同式（2）；而Gyr'為F倍的Gyr。

這3個閉環(huán)傳函中有兩個是獨(dú)立的。該系統(tǒng)是一個二自由度系統(tǒng)。雖然跟蹤性能取決于控制器的傳函和前置傳函，但抑制干擾、對誤差的靈敏度、穩(wěn)定性裕度和對傳感器噪聲的靈敏度等指標(biāo)只與控制器傳函有關(guān)。這表明，控制器傳函確定反饋回路的特性，而F影響參考輸入與系統(tǒng)輸出之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在設(shè)計(jì)二自由度控制系統(tǒng)時，先借助控制器傳函改善反饋特性，再借助前置傳函改善參考輸入與系統(tǒng)輸出間的閉環(huán)特性。其優(yōu)點(diǎn)是反饋特性和跟蹤特性可單獨(dú)調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)

2.3.1 反饋環(huán)節(jié)

本文采用霍爾分流檢測電路，用霍爾傳感器對主電路與控制電路進(jìn)行電氣隔離。用分流采樣傳感器和比例放大器對反饋信號進(jìn)行處理送入后級作為控制信號。由霍爾傳感器特性和比例運(yùn)放性質(zhì)可知，它相當(dāng)于比例環(huán)節(jié)。

2.3.2 功率變換環(huán)節(jié)

從變換器特性可知，輸出存在輸出延遲，可近似為一個慣性環(huán)節(jié)。則需確定變換器的放大系數(shù)和時間常數(shù)。

本文控制電路采用TL494芯片，從其特性參數(shù)可知，控制電壓從0.5-3.5V變化時，能實(shí)現(xiàn)占空比從零到最大值的調(diào)節(jié)，則放大系數(shù)為40。

變換器最大慣性時間常數(shù)為一個開關(guān)周期，為簡便起見一般令最大慣性時間常數(shù)與開關(guān)周期值相等。

2.3.3 反饋調(diào)節(jié)器

根據(jù)二自由度控制規(guī)則，在設(shè)計(jì)反饋控制器時，對于系統(tǒng)跟隨性能與抗擾性能的選擇主要需改善其抗擾性能，將被控對象校正成典型II型系統(tǒng)，但會使系統(tǒng)超調(diào)變大，這就要由系統(tǒng)的前饋控制器來調(diào)高輸出對輸入的跟隨性能。

為了校正成II型系統(tǒng)，讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的一個時間常數(shù)對消，選擇調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)與其接近，再對另一個慣性環(huán)節(jié)被控對象進(jìn)行處理，將其等效成積分環(huán)節(jié)，則經(jīng)調(diào)節(jié)器處理后變成典型II型系統(tǒng)。

2.3.4 前饋調(diào)節(jié)器

因反饋調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器，將被控對象校正成典型II型系統(tǒng)，為滿足系統(tǒng)在階躍輸入下的恒流特性，即在階躍信號輸入下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，結(jié)合二自由度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則。通過仿真，若要使系統(tǒng)超調(diào)較小，附加前饋控制器的系統(tǒng)性能得到極大改善。

3 結(jié)論

由于三電平逆變-逆變電路具有更高的工作穩(wěn)定性，而采用常規(guī)比例積分控制方法難滿足系統(tǒng)性能要求，因此引入二自由度控制就顯得尤為必要。本文經(jīng)過詳細(xì)分析設(shè)計(jì)，并對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行多方面仿真，可以看到二自由度控制比常規(guī)控制具有更優(yōu)良的工作性能。

參考文獻(xiàn)

[1]齊悅，楊耕，竇曰軒.基于多電平逆變電路的拓?fù)浞治鯷J].電機(jī)與控制學(xué)報，2012，6（01）：74-79.

[2]阮新波，周林泉，嚴(yán)仰光.一種新穎的零電壓零電流開關(guān)PWM三電平直流變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，16（02）：41-46.

[3]莊朝暉，熊有倫.一種簡單的三電平逆變器PWM控制算法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，16（02）：47-50.

[4]王曉霞，王啟志，王永初.二自由度IMC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則[J].華僑大學(xué)學(xué)報，2015，7（03）：55-58.

[5]熊志強(qiáng)，王煒，邱祖廉.一種二自由度PID的實(shí)現(xiàn)[J].深圳：控制理論與應(yīng)用，2013，22（04）：36-39.

作者簡介

陳莎（1992-），女，陜西省西安市人。碩士研究生學(xué)歷?，F(xiàn)就職于西安科技大學(xué)。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。

作者單位

西安科技大學(xué) 陜西省西安市 710054