全桥逆变器的滑模控制器设计及仿真
陈庆学,南余荣,孟飞锋
(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032)
摘 要:分析了全桥型逆变器的滑模控制方案,包括:建立系统的变结构模型、选择滑模切换面和确定控制律、给出可到达条件及滑模存在区域等。着重讨论了滑模控制器设计中切换面系数和切换频率的选择原则,并在此基础上利用Matlab进行了仿真研究。仿真结果表明,该滑模控制全桥型逆变器的输出电压能够快速跟踪参考信号,并且表现出了较强的鲁棒性以及良好的动态特性。
关键词:逆变器;滑模变结构控制;鲁棒性;Matlab仿真
中图分类号:TP216 文献标识码:A文章编号:1001-4551(2008)05-0061-04
前 言
逆变器在工作过程中受开关量γ的控制,在两个不同子拓扑之间来回切换,使得系统结构在两个拓扑间不断变化,具有变结构的特性。因此,利用滑模变结构控制理论对这类系统进行分析和设计具有重要意义。滑模变结构控制(SMVSC)是20世纪50年代发展起来的一种系统控制综合方法[1-4],它与常规控制方法的根本区别在于控制的不连续性,即系统结构随时间变化的开关特性。因此,利用滑模变结构控制理论对DC-AC变换器进行分析和设计,将使它具有强鲁棒性[5-8]。
在变结构控制设计中,合理选择切换面函数十分重要,这将直接影响滑模运动的动态性能。为此,本研究以全桥逆变器为研究对象,给出详细的系统变结构模型的推导过程,着重分析切换面函数和控制律的确定,并推导出切换面上形象化的滑模存在区域。同时对设计中所存在的一些关键问题进行详细分析和讨论,包括开关切换面参数和切换频率的选择原则。
1 基于变结构理论的全桥逆变器模型
全桥逆变器的功率变换电路结构,如图1所示
出交流方波电压经LC低通滤波器后得到交流正弦输出电压。由于全桥型逆变器的输出滤波电容电压及其导数是连续可测的,可以取电容电压及其导数作为系统的相变量来描述系统。系统状态方程为:
为了验证滑模控制方案在提高系统的鲁棒性和动态特性方面的优势,笔者特别设计了一项对比仿真研究。在相同的电路参数的条件下,运用电压瞬时值反馈外加传统的比例积分控制方法,对全桥逆变器进行控制。比例积分控制时输出的电压仿真的结果,如图3所示,从图3中可以看出,传统的比例积分控制方式的输出电压在每个周期的波峰和波谷处均不能较为准确地跟踪并锁定给定参考电压,存在明显的偏差。采用本研究的滑模控制方案时对应的输出电压仿真波形,如图4所示,从图4中可以看出,输出电压在0~0. 015 s内逐渐逼近给定参考电压,在0. 015 s后锁定,两正弦波形拟合得非常好。对比图3和图4,可以发现滑模控制在提高系统的鲁棒性和改善动态特性上存在着明显的优势,这说明本研究所述的全桥型逆变器的滑模控制方案是可行的。滑模运动轨迹图,如图5所示,从中可以看出系统状态能在极短的时间内从初始状态到达切换面,并沿着切换线s=0上滑动,最终到达坐标原点附近,这说明了该系统总体上是渐近稳定的。
5 结束语
本研究主要介绍了全桥逆变器的滑模控制器设计及仿真。由仿真结果可知,滑模控制时逆变器的输出电压具有快速良好的跟踪特性,动态特性好,将滑模控制应用于全桥型逆变器中是一种切实可行的控制方案。但滑模控制作为一种较新的控制方法还存在切换频率不固定、高频开关切换时可能会出现抖振现象,以及全状态反馈增加了控制器的成本等问题,这些都有待进一步的研究。
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