电流型开关功率放大器的离散滑模控制方法研究
肖 燕,田忠智,张锡庆
(沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110003)
摘要:提出了一种为电流型功率放大器所用的新的滑模控制方法。滑模控制方法首次应用于电力电子功率放大器,克服了其他控制方法的动态响应不好、THD较大、鲁棒性差等缺陷,与预测控制相比较,滑模控制具备带负载能力强、动态响应好等优点。这种新的控制策略———带有前馈的滑模控制方法保证了高动态性能和鲁棒性强。仿真结果达到控制方法预期的效果。
功率放大器在音响设备、信号放大、仪器测试等方面得到广泛应用。它分为模拟放大器(线性放大器)和数字放大器(开关型功率放大器)两大类。线性功率放大器由于高损耗而很难获得大功率。近年来,人们已经逐步采用电力电子功率放大器来代替线性功率放大器,用PWM技术的开关型功率放大器的效率非常高,因此,电力电子功率放大器比线性放大器具有放大功率大、效率高和带负载能力强等特点。
在功率放大器中,闭环控制是关键。如果闭环控制方法选择得当,可以有效地减小畸变,提高精度。以往功率放大器应用PID控制和预测控制等方法,由于这两种控制方法的带负载能力不强,而功率放大器的一个重要技术指标就是要求带负载能力足够强。本文提出将滑模控制方法应用于功率放大器。滑模变结构控制与常规控制方法的不同之处在于系统结构可以在瞬变过程中,根据系统当时的状态以跃变的方式,有目的地变化,迫使系统沿预定的滑动模态状态轨迹运动。由于滑动模态可以设计,而且与控制对象的参数及扰动无关,也就使得滑模变结构控制具有快速响应、对参数及外部扰动不灵敏、无须系统在线辨识、物理实现简单等优点。
电流控制环采用快速有效的方式控制电容的充电电流,对应于电流控制环所选取的方法为滑模控制。它与控制对象的参数变化及扰动无关,因此,滑模控制方法的优势恰好得到充分的体现。本文首先论述滑模控制方法作为电流控制策略的基本原理,然后,将仿真结果与PID控制和预测控制方法进行比较。
1 滑模控制基本原理
20世纪50年代末俄罗斯叶米里亚诺夫和乌特金提出一种新的控制理论———变结构控制。其基本原理是在控制过程中,系统的结构(或称模型)可发生变化。这种变结构控制的特殊之处在于系统的控制有切换,而且在切换面上系统将会沿着固定的轨迹产生滑动运动。
这种控制方法的原理是:在一个可以确定的区域内,根据系统的逻辑判断,任意运动点将向确定的切换线S=0运动,在到达切换线之后,重新进行逻辑判断,系统的结构就随之发生变化,迫使运动点能够沿切换线运动到原点。
如图1所示,r是参考信号, y为输出量, x1取为两者的差值,作为逻辑判断的依据。在x1为不同值的情况下,其连接的触头不同,分别接在-a1和+a1两种不同的结构,可以不断地对系统的结构进行变换,不断地纠正误差,最终达到误差为0的状态,输出值与输入参考值一致,以达到追踪参考值的目的。
这种控制方法是通过对结构的改变来达到控制的目的。它不同于其他的控制方法,系统的参数变化只与逻辑判断的判据有关,并不影响到控制结构。所以,滑模控制的优势就在于对参数变化和扰动不灵敏,鲁棒性强。
2 系统模型和控制算法
电流型功率放大器的整体拓扑结构以及它的输出滤波和负载阻抗如图2所示,本文研究对PWM逆变器和滤波电路进行外环控制。
逆变器、LC滤波环节都被考虑成被控装置。
电压源Vi是直流源,通过逆变器供给负载R电能。电流源i用于模拟由于负载变化而引起的扰动(为了简便,假设i=0)。电阻rC是电容的等效串联电阻,而电阻rL是电感的等效串联电阻, V0是电阻R两端的电压。
因此,可以获得一个有关PWM逆变器系统的小信号模型(状态方程)：
3 仿真计算
仿真软件采用MATLAB中的SIMULINK,仿真采样频率选择10 kHz。对控制回路进行正弦激励仿真,分析其产生的响应。图5即为仿真模型。在负载阻值为50Ω时的参考波形和输出波形如图6所示。
由于开关的作用,改变了控制拓扑结构和控制参数,这样就迫使状态变量去满足要求的稳定状态。从图中可以看到,输出电流波形和参考信号吻合很好,表明滑模控制原理在功率放大器中具有很强的应用性。对负载的大小进行更改(电阻值范围在23•5~1 000Ω之间),亦可得到理想波形。图7为负载阻值为1 000Ω时的电流波形比较。
这种控制方法的最大优势是可以自动适应负载变化,不需要对负载的类型和参数有很好的了解。
从上述波形比较可见,在负载变化的情况下,不需要改变模型中的任何参数即可获得同样优异的快速动态响应和精确度,因此所采用的滑模控制结构的鲁棒性很强。
在其他激励下的响应也可以说明滑模控制方法具有优异的快速动态响应性能。阶跃响应是一种严格的检验控制策略性能的标准。使用滑模变结构控制在阶跃激励下的响应仿真图形如图8所示。
由图8可见,在阶跃激励的情况下,系统在1•6 ms后达到稳定状态,并且上升沿达到90%时仅用了不到0•7 ms,因此这种控制方法在暂态控制时,可获得低过调量和快速上升沿。
为比较起见,同时应用PID控制方法对电流功率放大器进行闭环控制。在Kp=0•9, Ki=4, Kd=0•05时正弦激励下的仿真结果在幅值和相位上并不能够达到要求,因此改善系统参数的值,取Kp=0•1, Ki=4, Kd=0•05,负载阻值取50Ω时,仍然无法得到好的结果。因此,使用PID控制方法由于系统参数的随时变化而很难达到所要求的动态响应和精确度,并且这种方法的带负载能力很差。
另一方面,预测控制也是一种相对有效的控制方法,它通常应用于稳定开关频率和稳定负载的情况下。预测控制方法的稳态性能指标虽然较好,但是它的缺陷在于带负载能力很差。在负载变动不太大的情况下,系统的稳定性就被破坏,系统导致发散。
对滑模控制、PID控制、预测控制3种控制方法进行比较(见表1)可见,滑模控制方法的优势在于它的鲁棒性和动态性能比其他2种控制方法好。
在负载变化的情况下,滑模控制方法能够即时跟踪参考输入信号而不需要调整其他的参数,并且可以获得较好的动态响应。PID控制和预测控制方法在负载有变化的情况下,要想达到跟踪参考输入信号相同的性能就必须调整模型的其他参数。在实际应用中,由于检测的继电保护装置不具有固定的负载值,因此滑模控制方法的这一优点可以充分得到体现。
4 结论
本文提出一种新型的功率放大器的电流控制方法。它采用离散前馈滑模控制方法应用于PWM逆变器的闭环调节。这种方法包括一个线性前馈控制器和一个非线性的滑模控制器。它同时具备高鲁棒性和高动态性能,并且可以获得高准确度。通过分析3种不同控制方法的仿真结果,可以看出滑模控制方法应用于功率放大器比其他的控制方法具有效率高、动态性能好和带负载能力强等优势。滑模控制方法的仿真结果显现出这种新的开关型功率放大器的优越特性。
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