基于滑模控制感應(yīng)加熱電源的電流仿真分析

2 負載回路的數(shù)學模型

　　圖1為串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖，其中負載回路由電容Cc、感抗L和電阻R串聯(lián)形成振蕩回路。假設(shè)直流電壓Vdc連續(xù)，C遠大于振蕩電容Cc，變壓器變比N為1。

　　假定初始電流為零，負載電路上電壓為VS，則輸出電流i0和電容電壓vc的時域方程為：

　　由于采用軟開關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)的開關(guān)頻率等于振蕩頻率。串聯(lián)諧振電路的輸入電壓vs可由以下開關(guān)狀態(tài)決定：

　　為方便地表述逆變器運行狀態(tài)，引入一個新的離散變量M(k)如下；

　　圖2為運行狀態(tài)描述，(a)為開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)；(b)為輸出電流io，整流電流∣io∣，參考電流Iref，每半周期電流峰值Io；(c)為運行狀態(tài)(1：輸入功率模式，0：自由衰減模式)；(d)變壓器二次側(cè)電壓Vs。

　　于是，式(3)可改寫成為：

　　該式表明，運行狀態(tài)一旦確定，Vs的幅值為Udc，符號由i0(t)決定，式(5)中T=π／ωd是半個振蕩周期，每半個振蕩周期的輸出電流峰值絕對值Io和電容電壓Vc可用離散變量表示。由于Q遠大于1，可認為；Vc比Io滯后π／2，可得差分方程：

　　電容電壓Vc離散狀態(tài)的動態(tài)峰值由式(7)自身表示。將式(7)代入式(6)，就可得負載回路的離散電流狀態(tài)方程：

M=1電路工作在輸入功率模式下，諧振環(huán)節(jié)電流持續(xù)增加；

M=0電路工作在自由衰減模式下，諧振環(huán)節(jié)電流不斷減小；

M=-1電路工作在再生功率模式下，諧振環(huán)節(jié)電流較自由衰減模式減小更快；

　　本文只使用前2種工作模式，即在功率輸入與自由衰減2種狀態(tài)運行，變量u(k+1)表示電流控制強度，實際取值為{1，0.5，0}。根據(jù)以上分析得到的離散電流動態(tài)模型，可分析電流控制器設(shè)計方案。

3 滑模變結(jié)構(gòu)電流控制策略

　　本節(jié)討論一種應(yīng)用比例積分滑模的電流控制技術(shù)。目的是使在穩(wěn)態(tài)下輸出電流峰值的絕對值Io有一個較小的電流偏移量時，能夠較為準確地跟隨于期望的參考電流Iref，在階躍輸入時可以有快速的瞬態(tài)響應(yīng)和較小的超調(diào)量。

　　引入滑模變結(jié)構(gòu)控制理論(the theory of VariableStructure Control，VSC)。所謂滑模變結(jié)構(gòu)控制是：當系統(tǒng)狀態(tài)運動到某特定點，使得由狀態(tài)決定的切換函數(shù)值發(fā)生變化，系統(tǒng)運動方程由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，即結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在不斷的結(jié)構(gòu)變化中，系統(tǒng)以滑模形式運動至平衡點，由于逆變器內(nèi)在的開關(guān)原理，使其非常適合滑?？刂?。它的突出優(yōu)點是滑動模態(tài)可以具有對系統(tǒng)攝動、不確定性以及干擾的“完全自適應(yīng)性”。由于電容和電感變化較小，可忽略其對滑模面的影響，故滑模控制策略有較好的適用性。電流控制的離散滑動模型可由式(8)表述。

　　滑模切換函數(shù)的選取影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，本文采用電流誤差積分滑模面，切換函數(shù)可表述如下：

　　S為離散滑模切換函數(shù)，Ki為積分增益，Ie=Iref-Io為電流誤差。

　　電流控制器的控制律為：

　　感應(yīng)加熱系統(tǒng)電路參數(shù)L，C和R已定，則滑?？刂葡到y(tǒng)響應(yīng)完全由Ki決定。采樣保持器檢測輸出電流峰值，并保存1個振蕩周期，與參考信號比較并產(chǎn)生誤差信號。電流控制器的輸出決定下一個運行狀態(tài)，當過零檢測器檢測到過零信號時就切換開關(guān)狀態(tài)。從滑模控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性、較好的魯棒性和負載變化不敏感性等方面考慮，可以用較大的增益Ki來快速補償偏移量。增益Ki設(shè)計的恰當，就能有效消除基頻偏移量，得到穩(wěn)定的輸出電流。

3.1 積分器增益Ki的確定

　　對于離散準滑模系統(tǒng)，準確到達切換面常是不可能的，這里假設(shè)：

　　考慮到當Iref=Imax或Iref=0時為電流控制的極限值，且u(k+1)的值為{1，0.5，0)，可確定增益值范圍：

3.2 切換面吸引性分析

　　系統(tǒng)進入準滑動模態(tài)的到達條件：

　　要保證實現(xiàn)滑?？刂?，必須使比例積分滑?？刂魄袚Q面具有可到達性?？紤]u(k)的控制作用，由圖2可以看出，當輸出電流連續(xù)2個T小于參考電流值Iref時，u(k+1)的值為1，系統(tǒng)處于功率輸出狀態(tài)，使負載電流峰值上升；當大于Iref兩個T時，u(k+1)的值為0，系統(tǒng)就切換為自由振蕩狀態(tài)；由于負載消耗，電流峰值必然會小于Iref，通過u(k+1)的計算，系統(tǒng)又切換至功率輸出狀態(tài)。由上述分析可知，狀態(tài)空間中任意工作點都可在控制律的作用下到達式(14)確定的切換面，即切換面具有可到達性。

3.3 穩(wěn)定性分析

　　定義Lyapunov函數(shù)：



 
 

4 仿真結(jié)果分析

　　本文采用Matlab語言，編寫M函數(shù)對上述模型進行仿真。參數(shù)選取如下：

　　R=0.2 Ω，L=12.0μH，Cc=0.2μF

　　計算可知電路諧振頻率為100 kHz；增益Ki的值取為10000。設(shè)參考電流為60 A，初始電流值為0，N=4，則如圖3所示。

5 結(jié)語

　　針對串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源逆變器，建立逆變器的負載回路離散數(shù)學模型，分析比例積分滑模控制電流控制器切換面參數(shù)的選擇條件、可達性和滑模存在性及穩(wěn)定性；選擇適當?shù)脑鲆婧?，可使滑?？刂茖敵鲐撦d變化具有良好的快速性和魯棒性。根據(jù)此模型，使基于DSP控制策略容易實現(xiàn)。