PWM变换器跟踪控制技术概述

PWM变换器跟踪控制技术概述作者单位：苏州科技大学作者姓名：秦涛摘要：介绍了PWM变换器跟踪控制技术的原理和研究进展。

对三种基本的PWM跟踪控制方法作了对比分析，并简单介绍了几种跟踪控制的新方法。

关键词：PWM变换器；跟踪控制；跟踪误差；开关频率1 引言脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）变换技术作为电力电子技术的重要组成部分，已随着相关技术和产品的发展广泛应用到各种电力电子变换产品之中。

PWM方法可分为开环调制和闭环跟踪控制两大类。

规则采样法和空间矢量调制方法是最常用的开环调制方法。

PWM跟踪控制就是把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际输出作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断模式，使实际的输出动态跟踪指令信号变化。

PWM跟踪控制属于非线性砰-砰控制的范畴，具有系统结构简单和响应速度快的显著优点。

由于PWM跟踪控制方法属于闭环调制，因此其稳定性和输出控制精度受系统参数影响较小，具有很好的鲁棒性。

基本的跟踪控制方法包括滞环比较方法，定时比较方法和线性调节的三角载波比较方法。

滞环比较方法应用最为广泛，相关的学术研究也最多。

严格地说，线性调节的三角载波比较不属于跟踪控制，但是通常都把它归于跟踪控制。

本文首先概述了三种基本的跟踪控制方法的原理和优缺点，然后简单介绍了跟踪控制方法的最新研究进展。

2 几种常用PWM跟踪控制原理跟踪控制法中常用的有滞环比较方式、定时比较方式和线性调节的三角载波比较方式。

跟踪控制的输出可以是电流，也可以是电压。

2.1 滞环比较方式图1给出了采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相桥式逆变电路原理示意图。

图2给出了其跟踪输出PWM波形uo和输出电流io波形。

如图1所示，把指令电流ir和实际电流if的偏差e=ir-if作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制功率器件V1、V2、V3和V4的通断。

当V1、V4导通时，输出电压uo=Ud，使得 if增大，当e≤-h时，关断V1和V4，开通V2和V3；当V2、V3导通时，uo=-Ud，使得if减小，当e≥h时，关断V2和V3，开通V1和V4，电流又开始增大。

依此交替通断，使得|e|≤h以实现对ir的自动跟踪。

即通过环宽为2h的滞环比较器的控制，if就在ir±h的范围内呈锯齿状地跟踪指令电流ir。

显然只要设定足够小的环宽h，就可得到希望的跟踪精度。

滞环比较跟踪型PWM逆变器的开关频率受各种系统参数的影响，在不同的条件下逆变器开关频率的变化很大。

开关频率过高会使主电路的开关功耗增大，影响系统效率；开关频率过低时会使输出滤波器(如果有的话)的体积增大。

滞环比较跟踪型PWM的特点为：（1）控制电路简单，其核心只是一个滞环比较器；（2）属于非线性砰-砰控制，使得跟踪输出响应快；（3）当选取滞环较小时，跟踪精度可以很高；（4）属于闭环控制，所以其稳定性和输出控制精度受系统参数影响较小，具有很好的鲁棒性。

（5）开关频率不固定，带来开关损耗和输出滤波器设计方面的矛盾。

与开环调制方法相比，这是其主要缺点。

（6）滞环比较型跟踪控制的研究工作主要集中在如何稳定开关频率，至少是减少开关频率的波动范围。

图1 滞环比较方式电流跟踪控制原理示意图图2 滞环比较跟踪控制方式的原理波形图本专题中论文Ⅲ专门讨论滞环比较跟踪控制方法的开关频率与系统参数之间的关系，并给出了相应的仿2.2 定时比较方式滞环比较跟踪方法可能导致较高的开关频率，开关管的损耗较大，而开关频率较低时，滤波器的体积偏大。

定时比较跟踪控制方式，可以有效地限制最高开关频率。

这种方式不用滞环比较器，而代之以过零比较器，同时设置一个固定周期的定时器，在定时器每个输出脉冲的上升沿对比较器的输出进行采样，以决定输出PWM脉冲的取值。

定时比较方式的原理框图如图3所示。

指令电流ir与输出电流if相减得电流误差e，当e>0时比较器输出D=1，反之，D=0。

在每个定时脉冲的上升沿将D触发器的数据D写到输出Q端，在Q端即得到输出PWM波形。

图3定时比较跟踪控制电路的各点波形示于图4中。

如果CP上升沿时D=1，意味着e=ir-if>0，PWM输出置“1”，此时V1和V4导通，uo=Ud，使if快速上升，e的幅值减小。

当CP上升沿时D=0，意味着e<0，PWM输出置“0”，此时V2和V3导通，uo=-Ud，使if快速下降，同样使e的幅值减小。

显然，PWM波形只有在定时器输出CP的上升沿处才有可能发生跳变。

无论是PWM输出的正脉冲宽度还是负脉冲宽度都不会小于定时器的周期T。

如此便限制了PWM输出的最高频率为fc.max≤。

图3 定时比较方式电流跟踪控制原理示意图图4 定时比较跟踪控制方式原理波形图由图4很容易理解，由于没有限制误差的幅值，使得输出的误差平均值可能不为零。

这是定时比较跟踪控制方式的主要缺点。

当然，这种控制方式并未能改善开关频率可能过低的问题。

真和实验结果。

定时比较跟踪控制型PWM方法的特点为：（1）限制了开关管的最高频率，可缓解开关损耗可能过大的问题；（2）平均跟踪误差可能不为零，控制精度不高，该方法单独使用的场合不太多。

2.3三角波比较方式严格地说，基于线性调节的三角波比较跟踪控制方法并不属于直接误差跟踪控制方法，但通常都把它归于跟踪控制。

图5是采用三角波比较方式的电流跟踪型PWM逆变器控制电路原理图。

该方法把指令电流ir和逆变电路实际输出的反馈电流if进行比较，求出偏差电流e，经过线性调节器调节后，其输出和三角波进行比较，以产生PWM控制波形。

控制系统设计时，首先要对PWM逆变器和负载进行动态建模，然后通过线性调节器的设计来满足闭环跟踪控制系统的动态和稳态性能。

显然，采用三角波比较方式时，PWM波形的开关频率由三角载波唯一确定，保持固定不变，这是该方法的最大优点。

但是，由于系统设计需要动态建模和线性调节，使得系统设计相对于滞环比较方式较为复杂，更重要的是，线性调节使得三角波比较方式的跟踪速度相对较慢。

基于线性调节的三角波比较跟踪控制方法在电力电子PWM变换器的控制中应用最为广泛。

本专题中论文Ⅳ专门讨论三角波比较跟踪控制系统的动态设计方法。

图5 三角波比较方式电流跟踪控制示意图三角波比较电流跟踪型PWM特点如下：（1）开关频率固定不变，为输出滤波器的设计带来了方便；（2）电路较为复杂，跟踪控制的快速性不如滞环比较方式。

3 PWM跟踪控制技术的发展PWM变换器跟踪控制技术研究的目标是最大限度地同时满足三个目标：（1）保持开关频率固定不变，以平衡开关损耗和输出滤波器体积的矛盾；（2）保持每个开关周期的跟踪误差平均值为零；（3）简化算法，降低计算量。

另一个研究方向是将跟踪控制方法推广应用到多电平变换器中。

3.1 准固定频率滞环比较跟踪控制方法[4]针对滞环比较跟踪控制方法开关频率不固定的缺点，该方法在滞环电流控制的基础上，引入开关频率闭环反馈，可使开关频率基本固定。

图6为含有开关频率反馈闭环的准固定频率滞环电流控制系统示意图。

其中，e为跟踪误差，h为滞环宽度，D为输出PWM波形。

fr为开关频率给定输入，ff为“开关频率检测电路”的输出，作为开关频率反馈，开关频率跟踪误差ef=fr-ff经“频率调节器”动态调节后，由其输出来动态调节“滞环比较器”的滞环宽度h，以达到稳定开关频率的目的。

这种方法可保证电流跟踪误差平均值为零；经频率调节器的闭环调节，稳态时可使开关频率相对稳定不变，但是在动态过程中开关频率可能会有较大波动。

因此称为准固定频率滞环比较跟踪控制方法。

3.2双重△调制跟踪控制方法[5][6]该方法为基于幅值△调制和时间△调制相结合的“双重△调制”电流跟踪控制方法。

将滞环电流比较器和开关周期定时器相结合，通过设定比较器的下阈值来决定实际输出电流的下限；由定时器的定时周期决定实际输出电流的上限。

如图7所示为其原理示意图，其中，R为单边阈值比较器输出脉冲序列，F为周期定时器输出脉冲序列。

F的上升沿用来同步PWM输出的下降沿，R的上升沿用来同步PWM输出的上升沿。

这种方法可保证开关频率固定不变，但是跟踪误差平均值可能不为零，且存在跟踪稳定性问题。

根据本周期跟踪误差动态预估下一周期的下阈值，可同时解决跟踪平均误差不为零和跟踪稳定性两个问题。

本专题中论文Ⅵ专门介绍该方法的相关研究工作进展。

3.3多电平PWM变换器的跟踪控制方法[7]为了缓解PWM变换器的电压较高时开关器件的耐压不足、电磁噪声较大，同时为了减少变换器输出的谐波含量，多电平PWM变换器应运而生，并且成为电力电子技术领域的一个研究热点。

最典型的一种多电平跟踪控制方法是，根据电平数目增加误差比较器的滞环数，即N电平变换需要N-1个滞环，用以判断电平阶梯跳变，实现多电平跟踪。

图6 准固定频率滞环比较电流跟踪控制原理示意图图8以三电平变换为例，在B1环内实现-1和0的二电平PWM变换，在B2环内实现0和1的二电平PWM变换，通过两个滞环的限制完成三电平的PWM控制。

该方法鲁棒性好，动态响应快，但存在稳态跟踪误差。

图7 双重△调制PWM跟踪控制方法原理示意图多电平PWM变换器跟踪控制方法的研究论文较多，大多是基于滞环比较方式的。

除了仍然需要研究稳定开关频率和减少跟踪误差外，重点是研究实时判断电平阶梯跳变的方法和提高电平阶梯跳变的响应速度。

图8 三电平PWM变换器跟踪控制波形图本专题中没有专门讨论多电平跟踪控制方法。

4 结论跟踪控制方法是电力电子PWM变换器一种重要的控制方法。

其技术核心是误差滞环比较器，属于非线性闭环砰-砰控制，具有控制简单，响应快，系统鲁棒性好等很多优点，因此具有很好的应用前景。

PWM变换器跟踪控制的研究工作主要分为两个方面。

一是研究稳定开关频率；二是研究该方法在多电平变换器中的推广应用。

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