三相电压型逆变器的鲁棒跟踪双环控制器

1、河北科技大学电子设计自动化结课论文三相电压型逆变器的鲁棒跟踪双环控制器学生姓名 李元阳 学 号 12L0551012 学生专业 机械类 班 级 1 二级学院 理工学院 指导教师 赵甘露 三相电压型逆变器的鲁棒跟踪双环控制器李元阳(河北科技大学理工学院机械类，石家庄，050018)摘要:为了保证三相逆变器在负载变化及参数摄动时输出电压动态响应快、稳态精度高、波形失真率小，基于邓模型设计一种电感电流内环电压外环的双闭环控制器。电压外环采用离散积分滑模控制以改善系统的稳态性能并增强系统的鲁棒性。进行了正弦波跟踪的仿真实验，结果是突加纯阻性负载时调整时间为2 ms,暂态过程中输出电压总谐波畸变率为3.

2、 46%;当参数缓慢变化时总谐波畸变率为0. 13%。仿真结果表明:当系统参数和负荷有较大变化时系统能很好的跟踪参考电压，控制策略是可行的。关键词:三相电压型逆变器;双环控制;离散积分滑模控制Robust tracking dual-loop control of threehase voltage source invertersLiYuanyangShijiazhuang050018, China)Abstract: A dull-loop controller design for three-phsse voltsgeinverters w as developed in the嘟re

3、ference frame to achieve fasttransient response and good stesdytste accuracy. 'f he controllerhas an inner inductance current loop and an outer voltage loop, withthe voltage loop design based on discrete integral sliding modecontrol to im prove the stesdytste accuracy and the robustness.W hen tr

4、acking a sine w ave reference voltage, the settling time is 2ms and the total harmonic distortion is 3.460Io with an appliedabruptly resistive load. 'f he total harmonic distortion is 0. 130Io withthe system parameters varying gradually. Simulations show that thecontroller accurately tracks the

5、reference in the presence of loaddisturbances and param eter variations.Key words: three-phsse voltsge source inverters; dull-loop control; discrete integral sliding mode control随着电压源逆变器在工业中应用的日益普及，对其输出波形要求也越来越高，要求输出电压稳态精度高、失真率小、对负载变化动态响应快。提高逆变器性能的一个关键就是控制器的设计，近年来有大量关于逆变器控制器的研究。为了获得好的动,u性能常采用电压外环电流内

6、环的双闭环控制一3，采用电感电流内环可以实现软件限流从而保护逆咬器物理系统z1。 滑模控制对被控对象的模型误差、对象参数tlf变化以及外部干扰的不变性以及良好的动态调节喂性使得其在逆变器的控制器设计中非常具有吸弓力。特别是随着数字技术的发展以及离散滑模控湘理论的日趋成熟，基于离散滑模控制设计控制器筱到了人们的关注3- 5。文4, 5采用传统的离散滑棒控制方法，但是传统的滑模控制在跟踪阶跃信号彭者任意信号时会产生稳态误差。为了改善控制器郎稳态性能，文 3提出了离散积分滑模控制，但是G能针对可控标准型的系统。 三相系统由于三相之间的藕合使得控制器的该计更为复杂，通过坐标变换将三相公共坐标系下f系统

7、变换到嘟坐标系中可以实现简化5。本文首失建立了三相逆变器a坐标系中的离散模型，提出一种电感电流内环电压外环的控制器设计方法。将文16的离散积分滑模控制方法进行扩展应用于电T环的设计，进一步改善系统的动态及静态性能，并榨强系统的鲁棒性。仿真结果验证了控制器的有效性。1离散模型的建立 三相脉冲宽度调制(pulse with modulation,PWM)电压型逆变器系统结构图如图1所示，其牛Cr为滤波电容，Lr为滤波电感，:为滤波电感上郎等效电阻，Z为负荷，负荷等效为电流源 as。为增弛系统阻尼采用电感电流内环控制，将负荷视为系纤外部干扰，滤波电容两端电压:。视为输出，建立坐标系下的三相逆变器周期

8、平均模型为 其中:a= 0; a,z= 1/ Cr; az,=一1/Lr; azz=一(:+K;)lLr; b= 1/Lr; c,= 1; cz= 0; K;为电流环增益;二，为电压;xz为电流;二为控制量;f=一aa/ Cr; y为输出电压·a轴与乃轴之间完全解藕，均可以由式(1)表示，即二，. xz、二、.f ,)既可以表示a轴中的量也可以表示召轴中的量，控制器的设计方法相同。 为了减小稳态误差，在控制器中加入积分控制器，令其中:为输出参考值。将式(1及式(2)所示系统用前向差分来近似微分离散化。 其中t。为采样时间。用k表示kt。时刻考虑了参数摄动的离散系统模型为: 逆变器控制

9、器的设计目标是当负荷变化或者参数摄动时能够又快又准的跟踪参考信号。2离散积分滑模控制器的设计 离散积分滑模控制器的设计包括2个部分:1)滑模面的设计;2)控制函数的选取。2. 1控制函数的选取选取滑模面为假设so, si, sz, g，已知，在2. 2节将详细介绍这4介参数的选择过程，那么非理想滑动移动存在的穿件6为第1个条件保证滑动移动趋于滑模面，第2个条件保证当k趋于无穷时滑动移动收敛到<区域内。控制函数的形式为其中:u、是标称系统处于滑动移动时的控制律;u用来消除外部扰动以及参数摄动带来的影响。定义在滑模面上有得非线性部分u的形式为由式(9), (11)以及式(12)得到假设：其中

10、:;>o,=0,1,2,3，且;。+;1+;2+;3=专·4?的取值应满足:从而保证条件(6)和(7)成立，最终得到式(12)的控制律。2. 2滑模面的设计 滑模面的设计主要是按照系统在滑模面上期望的动态特性来进行设计。 对式(4)所示系统不考虑参数摄动以及外扰，在滑模面上系统动态可以表示为:特征方程为假设所期望的特征方程为 由P数，令、i=:只能得到2个方程，但是有4个未知0, sz= 1就可以得到fY，和so3仿真结果 为了验证控制器的性能，在m atlas)上对负荷变化、参数摄动以及参考信号变化时系统的输出情况做了仿真。实验中电路参数值为:Va= 300 V ; L r=

11、4. SmH; Cr= 20uF; R=50以:=0. 4以t= l0us;K;= 350。控制器的参数为:、。=0. 1; s,= 0; sz= 1;g,= 8 450;嘴=一4; 4= 0; 4=一80; 4=一10. 图2是系统突加阻性负载的过程，要求输出幅值为155.6 V频率为50 Hz的正弦电压。图中:。为A相输出电压，as。为A相负载电流。系统在加载后2ms内结束暂态，暂态误差在一40-10 V,稳态误差在一10-10 V，加载后的第1个周期电压基波幅值为155dy爪毕姑睛亦本尚 z A木时由压基波幅值为155.9 V ,谐波畸变率为0. 04%。图3是系统握整流负载时输出电压波

12、形。稳态误差在一15-15 V ,输出电压基波幅值为155. 8 V ,谐波畸变率为0.02%。 图4是系统外接3. 3kW的纯阻性负载，在0. 02:s Cr. Lr均突然降至标称值的50%并逐渐增至标柏值的200% , v r为跟踪误差。由仿真结果可以看出，输出电压误差在一15-15 V之间，基波幅值为156.2V,谐波畸变率为0. 13%。 图5是接3. 3 k W的纯阻性负载参考电压幅值变化时的跟踪误差图。:。为参考电压，当参考电T幅值发生变化时，系统在2 ms结束暂态过程，在参考信号变化的第1个周期跟踪误差在一10-10 V,谐波畸变率为0.32%。 由仿真结果可以看出，在负载发生变

13、化、参数携动以及参考电压发生变化时，系统均能很快进入稳态，且保证输出电压波形失值率小，稳态精度高。4结论本文建立了a坐标系中的三相电压型逆变器离散模型，设计了一种电感电流内环电压外环的双环控制器。其中外环采用离散积分滑模控制方法，给出了控制器及参数确定的详细过程。对负荷变化及系统参数摄动时跟踪三相平衡对称的正弦信号进行了仿真。结果表明:系统对负荷干扰变化具有良好的动态响应，且对系统参数的摄动不灵敏，同时具有较高的稳态精度;提供了一种高性能的逆变器数字控制器的设计方法。参考文献(References)I1许爱国.谢少军.电容电流瞬时值反馈控制逆变器的数字控制技术研究IJI.中国电机工程学报.20

14、05, 25( 1) : 49- 53. XL Aiguo, X11, Shaojun. Study on digital control technique for inverters with instantaneous capacitors urrent feedbackJ.Proceedirag.s of Chira Soc for Electrical Erag, 2005,25( 1):49一53.(in Chinese)熊键.周亮.张凯.等.一种高性能的单相逆变器多环控制方案IJI.电工技术学报.2006, 21(12) : 79一84.X10NG Jian, ZHOC Lian

15、g, ZHANG Kai, et al. A high precision m ulti-loop control strategy for single-phase P W MinvertersJ.Trams of Chiraa Electrotechraical Society,2006, 21(12):79一84.(in Chinese)CHLRN 'fzuenlih, CHANG Jerome, CH11N Chienhung, etal. M icroprocessor based m odified discrete integralvribletructure contr

16、ol for L PSJ.lEEE I'rarr.s oralradu.strial Electroraic.s, 1999, 46(2):340一 347.Jung S L, 'fzou Y Y.Discrete slidingnode control of aPW M inverter for sinusoidal output waveform synthesis withoptimal sliding curveJ.lEEE Trara.s ora Power Electroraic.s,1996, 11( 4):567一577.M uthu S, Kim J M S. Discreteime slidin mode control or output volt