一種基于滑模控制的正弦波逆變器

摘要：提出了一種新的基于滑?？刂频恼也孀兤鳌Ｔ撃孀兤鞑捎昧藘山M對(duì)稱(chēng)的Buck電路,并利用滑模控制對(duì)系統(tǒng)參變量變化和外部擾動(dòng)的不敏感性及魯棒性。該逆變器能獲得一個(gè)較為理想的正弦輸出電壓。給出了電路的工作原理和滑模控制方案，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：逆變器；滑模控制；Buck變換器

圖1正弦波逆變器電路基本拓?fù)?/p>

1引言

DC/AC變換技術(shù)發(fā)展迅速，并已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的DC/AC變換器主電路的拓?fù)涠嗖捎猛仆焓?、半橋式和全橋式等?？刂品椒ㄉ弦话悴捎肞WM控制并在輸出端加LC濾波，另一種常用的方法是采用SPWM控制。與之相比，建立在諧波消除技術(shù)上的最優(yōu)PWM控制能獲得更好的正弦波輸出電壓。但是在負(fù)載變化的情況下，這些PWM方法無(wú)法保證輸出電壓的理想特性。瞬時(shí)反饋控制被提出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[1]，但是這種控制方法對(duì)系統(tǒng)參變量的擾動(dòng)比較敏感。在一些關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)合中，往往要求DC/AC變換器的輸出電壓具有理想的正弦波特性。本文提出了一種新的正弦波逆變器電路拓?fù)?，它由兩組對(duì)稱(chēng)的Buck電路組成，并采用滑模控制方案，從而獲得平滑的正弦波輸出電壓?；？刂葡鄬?duì)于傳統(tǒng)的控制方案的主要優(yōu)勢(shì)在于其所具有的參變量的魯棒性，它對(duì)系統(tǒng)參變量的擾動(dòng)和負(fù)載的變化都具有不敏感性，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[2]。

2電路基本結(jié)構(gòu)與工作原理

本文提出的正弦波逆變器電路基本拓?fù)淙鐖D1所示。采用了兩組對(duì)稱(chēng)的Buck電路，負(fù)載跨接在兩個(gè)Buck變換器的輸出端,并以正弦的方式調(diào)節(jié)Buck變換器的輸出電壓,從而進(jìn)行DC/AC的變換。它包括直流供電電源Vin，輸出濾波電感L1和L2，功率開(kāi)關(guān)管S1～S4，濾波電容C1和C2，續(xù)流二極管D1～D4，以及負(fù)載電阻R。通過(guò)滑?？刂?，使輸出電容電壓V1和V2隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個(gè)Buck變換器各產(chǎn)生一個(gè)有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并

圖2雙向Buck變換器

圖3滑?？刂破骰究驁D

且V1和V2在相位上互差180°。由于負(fù)載跨接在V1和V2的兩端，則DC/AC變換器的輸出電壓V0如式(1)所示。（1）

雖然有一個(gè)直流偏置電壓出現(xiàn)在負(fù)載的任一端，但負(fù)載兩端電壓為正負(fù)交變的正弦波電壓，并且其直流電壓為零。由于DC/AC變換器的輸出電流是正負(fù)交變的，因此要求電路中的Buck變換器的電流能雙向流通，如圖1所示電路由兩組雙向Buck變換器組成。

一組電流雙向流通的Buck變換器可見(jiàn)圖2所示。S1與S2是一對(duì)互補(bǔ)控制的開(kāi)關(guān)管，D1和D2為反并二極管。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合，S2打開(kāi)時(shí)，若電感電流方向?yàn)檎?，則電流流經(jīng)S1，若為負(fù)，則電感電流經(jīng)D1續(xù)流。當(dāng)S1打開(kāi)，S2閉合時(shí)，若電感電流方向?yàn)檎?，則電流經(jīng)D2續(xù)流，若為負(fù)，則電感電流流經(jīng)S2。

3滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)

在本文中正弦波逆變器的控制采用了滑?？刂破?。由于電路中的兩個(gè)雙向Buck變換器是對(duì)稱(chēng)的，并且具有獨(dú)立性，下面僅對(duì)一個(gè)雙向Buck變換器(圖2所示)的控制進(jìn)行分析?？刂瓶驁D如圖3所示。vc與iL分別為輸出電容電壓反饋信號(hào)和輸出電感電流反饋信號(hào)。為了保證滑?？刂频聂敯粜?，參考電流定義由式(2)所示[3]：iLref=i0＋C(2)

為獲得輸出電壓的良好的瞬態(tài)響應(yīng)，以狀態(tài)變量偏差(根據(jù)參考變量的差定義)的線(xiàn)性組合來(lái)表示的狀態(tài)空間的滑動(dòng)平面方程由式(3)給出：

s(x)=c1x1＋c2x2(3)

這里系數(shù)c1和c2是增益，x1是輸出電容電壓偏差，x2是輸出電感電流偏差，可表示為式(4)、式(5)：

x1=vc－vref(4)x2=iL－iLref=iL－i0－C=ic－C(5)

式中C為輸出電容值。從式(5)可知，需同時(shí)檢測(cè)電感電流和負(fù)載電流，事實(shí)上兩者之差即為電容電流，所以只需檢測(cè)電容電流即可。式(5)可變?yōu)?x2=ic－C(6)其中ic為電容電流的反饋信號(hào)，相應(yīng)的參考電流變?yōu)镃。所以得：s(x)=c1(vc－vref)＋c2(ic－C)(7)

信號(hào)s(x)通過(guò)一個(gè)滯環(huán)比較器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)。通過(guò)閉環(huán)控制，使得變量s(x)接近于零，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)的響應(yīng)由電路參數(shù)和控制參數(shù)c1與c2決定。合適地選擇這些參數(shù)，可以獲得較高的控制魯棒性、穩(wěn)定性以及較快的響應(yīng)速度。

圖2所示電路中，定義變量γ如下：γ=(8)

以電感電流iL與電容電壓vc為狀態(tài)變量，可得雙向Buck電路的狀態(tài)空間方程為：=＋γ(9)

可簡(jiǎn)寫(xiě)為：=Ay＋Bγ(10)

式中y=A=B=

控制技術(shù)