一種新的準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法

摘要：提出了一種新的準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法，該方法在滯環(huán)電流控制的基礎(chǔ)上，引入頻率反饋控制，使開關(guān)頻率基本固定，解決了目前廣泛使用的固定頻率電流控制方法具有的次諧波振蕩的問題，并且具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。對現(xiàn)有的固定頻率電流模式控制方法和所提出的準(zhǔn)固定頻率PWM電流控制方法的原理和閉環(huán)響應(yīng)進(jìn)行了分析，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了分析的正確性。關(guān)鍵詞：滯環(huán)；準(zhǔn)固定頻率；電流模式控制

1概述

電力電子裝置的作用是對電能進(jìn)行高效、精確、快速地轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，因此控制技術(shù)在其中扮演著重要的角色。對電力電子裝置中的自動控制系統(tǒng)的要求有： 1)穩(wěn)定性好很多用電設(shè)備和電路的穩(wěn)定性和可靠性通常決定于為其供電的電力電子裝置，因此對其穩(wěn)定性的要求更為嚴(yán)格。另外，電力電子器件抵抗過電壓和過電流的能力較傳統(tǒng)的電磁式電氣元件差，因此更要求其控制系統(tǒng)在各種工作狀況下均能保持穩(wěn)定，具有較大的穩(wěn)定裕量，以免在工作中發(fā)生振蕩時，使電力電子器件的電壓和電流超出安全工作區(qū)造成損壞。

2)穩(wěn)態(tài)精度高電力電子裝置經(jīng)常給各種精密的電子裝置和設(shè)備供電，要求的供電精度非常高，通常穩(wěn)壓和穩(wěn)流精度需要達(dá)到0.5～0.1％，有的甚至高達(dá)1×10－4或1×10－5。

3)快速性好電氣系統(tǒng)的時間常數(shù)比常規(guī)的機(jī)電系統(tǒng)短得多，而且電力電子裝置經(jīng)常需要對電壓和電流波形等進(jìn)行跟蹤控制，因此對其控制系統(tǒng)的快速性要求很高。

在電力電子裝置中，為了達(dá)到高效變換的目的，器件通常都工作在開關(guān)狀態(tài)，因此普遍采用PWM開關(guān)控制方法，與線性電源中所采用的調(diào)整管的控制方式相比，PWM開關(guān)控制是非線性時變的，這給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。通常采用狀態(tài)空間平均法[1]消除系統(tǒng)的時變特性，然后采用微擾法[2]，將系統(tǒng)在工作點(diǎn)附近局部線性化，得到近

一種新的準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法

(a)電壓模式控制系統(tǒng)

圖1電壓模式控制和電流模式控制的比較

（b)電流模式控制系統(tǒng)

似的線性定常系統(tǒng)，便可以用已有的方法進(jìn)行分析，如頻域法等。

傳統(tǒng)的單變量反饋控制很難同時達(dá)到穩(wěn)定性和快速性的要求，因此控制系統(tǒng)經(jīng)常采用多變量狀態(tài)反饋的結(jié)構(gòu)，并引入前饋來提高性能，其中最典型的就是電流模式控制。采用電流模式控制后，可以收到以下良好的效果：

1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，穩(wěn)定域擴(kuò)大。

2)系統(tǒng)動態(tài)特性改善，響應(yīng)速度加快。

3)具有快速限制電流的能力，可以達(dá)到保護(hù)器件的目的。

通常用的電流模式控制方法可以分成峰值電流模式控制[2]、平均值電流模式控制[3]及電荷模式控制[4]等。然而目前已有的幾種電流模式控制方法都存在次諧波振蕩的問題，影響了穩(wěn)定性的提高，雖然有一些解決辦法，但都是以犧牲快速性和穩(wěn)態(tài)精度為代價的。

本文從滯環(huán)PWM控制方法出發(fā)，提出一種準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法，該方法在滯環(huán)電流控制電路中引入頻率反饋，解決了滯環(huán)PWM控制開關(guān)頻率大范圍變化造成濾波器設(shè)計(jì)困難的問題，并且在穩(wěn)定性、快速性和穩(wěn)態(tài)精度等方面均達(dá)到或超過現(xiàn)有的幾種固定頻率電流模式控制方法。本文對該控制方法進(jìn)行了深入的分析和闡述，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其優(yōu)越的性能。

2電壓模式控制和電流模式控制

目前，開關(guān)電源的控制方式有電壓模式控制和電流模式控制兩類。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1（a）為電壓模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圖1（b）為電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖中VR為電壓調(diào)節(jié)器，CR為電流調(diào)節(jié)器，PWM為PWM調(diào)制環(huán)節(jié)，畫有開關(guān)的環(huán)節(jié)為開關(guān)電路，LC電路是主電路中的濾波環(huán)節(jié)，RL是負(fù)載。

采用電壓模式控制的開關(guān)電源控制系統(tǒng)僅有單一的電壓控制環(huán)，該系統(tǒng)有一對高Q值的開環(huán)共扼極點(diǎn)，在開環(huán)頻率特性曲線上表現(xiàn)為一個很高的諧振峰，使系統(tǒng)傾向于振蕩。為了消除該共扼極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的不利影響，通常電壓調(diào)節(jié)器采用PI或PID對系統(tǒng)開環(huán)頻率特性進(jìn)行校正，而這種校正方法壓低了系統(tǒng)低頻段的增益，使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，動態(tài)特性變差。

電流模式控制方法在系統(tǒng)中引入電流反饋，以改造系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，使其變得更加容易校正。通常，采用電流模式控制后，電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)中不再有共扼極點(diǎn)，其頻率特性曲線也沒有高的諧振峰，因此電壓環(huán)的校正變得較為容易，可以選取較高的開環(huán)增益，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，同時保持很好的穩(wěn)定性。

然而電流模式控制也有其固有的缺點(diǎn)，就是次諧波振蕩問題。