一種新的準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法

摘要：提出了一種新的準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法，該方法在滯環(huán)電流控制的基礎上，引入頻率反饋控制，使開(kāi)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(wèn)題，并且具有穩定性好、響應速度快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。對現有的固定頻率電流模式控制方法和所提出的準固定頻率PWM電流控制方法的原理和閉環(huán)響應進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)驗證實(shí)了分析的正確性。關(guān)鍵詞：滯環(huán)；準固定頻率；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、快速地轉換和調節，因此控制技術(shù)在其中扮演著(zhù)重要的角色。對電力電子裝置中的自動(dòng)控制系統的要求有： 1)穩定性好很多用電設備和電路的穩定性和可靠性通常決定于為其供電的電力電子裝置，因此對其穩定性的要求更為嚴格。另外，電力電子器件抵抗過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較傳統的電磁式電氣元件差，因此更要求其控制系統在各種工作狀況下均能保持穩定，具有較大的穩定裕量，以免在工作中發(fā)生振蕩時(shí)，使電力電子器件的電壓和電流超出安全工作區造成損壞。

2)穩態(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備供電，要求的供電精度非常高，通常穩壓和穩流精度需要達到0.5～0.1％，有的甚至高達1×10－4或1×10－5。

3)快速性好電氣系統的時(shí)間常數比常規的機電系統短得多，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，因此對其控制系統的快速性要求很高。

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

一種新的準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法

(a)電壓模式控制系統

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

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

傳統的單變量反饋控制很難同時(shí)達到穩定性和快速性的要求，因此控制系統經(jīng)常采用多變量狀態(tài)反饋的結構，并引入前饋來(lái)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)系統的穩定性增強，穩定域擴大。

2)系統動(dòng)態(tài)特性改善，響應速度加快。

3)具有快速限制電流的能力，可以達到保護器件的目的。

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(wèn)題，影響了穩定性的提高，雖然有一些解決辦法，但都是以犧牲快速性和穩態(tài)精度為代價(jià)的。

本文從滯環(huán)PWM控制方法出發(fā)，提出一種準固定頻率滯環(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(kāi)關(guān)頻率大范圍變化造成濾波器設計困難的問(wèn)題，并且在穩定性、快速性和穩態(tài)精度等方面均達到或超過(guò)現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(guò)實(shí)驗證實(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(kāi)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(lèi)。其基本結構如圖1所示，圖1（a）為電壓模式控制系統的結構，圖1（b）為電流模式控制系統的結構。圖中VR為電壓調節器，CR為電流調節器，PWM為PWM調制環(huán)節，畫(huà)有開(kāi)關(guān)的環(huán)節為開(kāi)關(guān)電路，LC電路是主電路中的濾波環(huán)節，RL是負載。

采用電壓模式控制的開(kāi)關(guān)電源控制系統僅有單一的電壓控制環(huán)，該系統有一對高Q值的開(kāi)環(huán)共扼極點(diǎn)，在開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)上表現為一個(gè)很高的諧振峰，使系統傾向于振蕩。為了消除該共扼極點(diǎn)對系統穩定性造成的不利影響，通常電壓調節器采用PI或PID對系統開(kāi)環(huán)頻率特性進(jìn)行校正，而這種校正方法壓低了系統低頻段的增益，使系統響應速度變慢，動(dòng)態(tài)特性變差。

電流模式控制方法在系統中引入電流反饋，以改造系統的開(kāi)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(kāi)環(huán)傳遞函數中不再有共扼極點(diǎn)，其頻率特性曲線(xiàn)也沒(méi)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(kāi)環(huán)增益，從而提高系統的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)保持很好的穩定性。

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(wèn)題。