滑模控制逆变器的分析与实验研究_

滑模控制逆变器的分析与实验研究
   张黎，丘水生
   （华南理工大学电子与信息学院，广东省广州市510640）
   摘要：对全桥型逆变器的滑模控制方案进行了分析，包括建立系统的变结构模型、选择滑模切换线和确定控制作用，给出可到达条件及滑模存在区域等。着重讨论了在实际电路设计中选择开关面系数和开关频率的原则，并且给出相应的设计程序。在此基础上进行了仿真研究并设计制作了实验样机，仿真及实验结果表明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，在负载突变的情况下，输出电压表现出对扰动的不敏感性和较强的鲁棒性以及良好的动态特性。
   关键词：电力电子；滑模控制；逆变器；鲁棒性；变结构
   1  引言
   逆变器作为直流转交流(DC/AC)的功率变换装置已经成为生产生活中不可缺少的电源设备，比如：不间断供电电源(UPS)、交流电机驱动器和车载适配器等。这类逆变电源的设计要求是具有高效率、输出电压高稳定和低谐波失真，同时还要考虑到在输入电压不稳定和负载变化频繁的情况下，逆变电源的输出具有快速的动态特性和稳定的鲁棒性。逆变器通常是采用正弦波调制(SPWM)来保证输出电压波形的低失真度，并通过输出电压有效值反馈和常规控制来稳定输出电压幅值[1]。但是这种控制方法在负载突变时需要较长时间的恢复过程，动态特性较差。特别是在对逆变电源的动态性能有较高要求的情况下，传统的控制方式将难以满足要求。基于变结构系统理论的滑模控制表现出对系统参数变化和负载扰动的不敏感性和鲁棒性，以及良好的动态特性[2-8]，可以用于对逆变器这类固有的变结构系统的控制。文献[9]首先将滑模控制方法应用于单相逆变器中，给出了切换线及控制作用，实验结果证实了滑模控制的优点。文献[1]对滑模控制逆变器进行了系统的分析，相关的应用文献还包括文献[10-14]。
   这些都表明滑模控制逆变器具有良好的动态性能和鲁棒性。但上述文献只限于分析滑模控制逆变器基本原理和给出仿真与实验结果，滑模区域的描述比较抽象，没有给出相关的电路设计程序，缺乏对具体的电路实现的指导。本文针对滑模控制全桥逆变器的关键设计技术进行了研究，建立了变结构模型，确定了切换线和开关控制律，推导出切换线上形象化的滑模存在区域。特别是对设计中存在的一些关键问题进行了讨论，包括开关切换面参数和开关频率的选择原则。给出了滑模区域直观的表示方法和逆变器设计程序，制作了实验样机。仿真及实验结

    用宽带运放LM318来提高开关频率和减小谐波失真。在电路实现中要求电容电流的取样线路应尽量短，这样可以减小由此产生的干扰，最好选用PCB封装的电流传感器。高速光耦6N137用以隔离控制电路与功率主回路。为了简化驱动电路，这里采用两只集成驱动器IR2110分别驱动四只功率开关管Q1-Q4。
   4  仿真与实验结果
   在上述滑模控制理论分析的基础上，设计了一个基于全桥逆变器的仿真与实验平台，具体的电路和控制参数如下：

   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优势，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。同时为了检验滑模控制对负载变化所表现出来的鲁棒性，设计了负载电阻R在t =25ms时从开路状态突变为40?。图4为比例积分控制时的输出电压和负载电流仿真的结果，从中可以看出，传统的比例积分控制方式在空载时的输出正弦波质量不高，而且在负载突变时，输出电压波形存在小幅振荡。图5为采用本文所述的滑模控制方案时对应输出电压和负载电流仿真波形，对比图4和图5，可以发现当系统从空载突然加载时，滑模控制时的输出电压几乎没有变化，这说明了滑模控制方案的确能够提高系统的鲁棒性和改善动态特性。而且滑模控制的输出正弦波质量明显好于比例积分控制方式。图6是对应的滑模控制方案的实验波形，除了实验波形中存在少许干扰噪声以外，可以看出仿真和实验结果具有良好的一致性。输出电压可以快速地踪参考电压，而且输出电压表现出较低失真和当负载变化时很小的过冲。在额定阻性负载条件下，输出电压的总的谐波失真为0.8%，整机效率为85%。

5 结论
本文首先对滑模控制全桥型逆变器进行了分析，包括建立系统的变结构模型、选择滑模切换线与确定控制作用，分析了可到达条件并给出了滑模存在区域。针对在具体设计滑模控制逆变器中遇到的一些关键问题，如开关频率和切换线参数的选择等，进行了重点讨论，给出了设计程序。由仿真与实验结果可知，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。在负载突变的情况下，输出电压过渡时间短，过冲小，系统具有较强的鲁棒性。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开关频率不固定，高频开关切换时可能会出现抖振现象和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。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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