电流滞环控制

摘要

脉冲宽度调制（PWM），其基本思想是：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。传统的PWM技术是用正弦波来调制等腰三角波，称为正脉冲宽度调制，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM（CHBPWM)控制技术。CHBPWM的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波。

关键词：电流控制；脉宽调制； CHBPWM；

1.前言

SPWM控制技术以输入电压接近正弦波为目的，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电机来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM(Current Follow PWM, CHBPWM)的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。

电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。在实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的宽度。电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率到的电流控制器，或者局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。

2.原理

2.1.电流滞环跟踪控制原理

现在以A相电流滞环跟踪控制为例，其控制结构图如下图 2-1 所示：

图1-1 电流跟踪控制A相原理图

其中电流控制器是带滞环的比较器，环宽为h，将给定电流ia与输出电流i*a进行比较，电流偏差△ia 超过±0.5h 时，经滞环控制器（HBC）控制逆变器 A 相上、下桥臂的功率开关器件动作。

设比较器的滞环宽度为h，当输出电流i*a比给定电流ia大时，且误差大于0.5h时，滞环比较器输出负电平，驱动开关器件VT1关断，VT2导通，使实际电流减小。当减小到与给定电流相等时，滞环比较器仍保持负电平输出，VT1保持关断，实际电流继续减小，直到误差大于0.5h时，滞环控制器翻转，输出正电平信号，开关器件VT1导通，VT2关断，使实际电流增大，一直增大到带宽的上限。以上过程重复进行，这样交替工作，实际电流与给定电流的偏差保持在-0.5h-+0.5h 之间，并在给定电流上下作锯齿状变化，达到跟踪电流的目的。

2.2.滞环宽度分析

采用电流滞环跟踪控制的PWM波形，如下图 2-2所示：

图2-2 电流滞环跟踪控制时的电流波形

图2-6给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。

电流滞环跟踪控制波形的几何关系如图2-3所示：

图2-3 电流滞环跟踪控制波形的几何关系

由上图可知逆变器的开关频率与电流波动幅值成反比，即与环宽成反比，环宽越小，开关频率 f 越高，实际电流值越接近给定电流，此时电流追踪性能越好。

图2-4 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形

因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率

的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。

2.3.电流滞环跟踪控制的特点

电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。

采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM交流电路有以下特点：

（1）硬件电路简单；

（2）属于实时控制方式，电流反应快；

（3）不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；

（4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；（5）属于闭环控制，这是各种跟踪型PWM交流电路的共同特点。

3.电流的滞环跟踪控制的simulink的仿真

3.1.三相电流跟踪滞环控制仿真

仿真模型电路图如下图3-1至3-3：

图3-1 三相电流滞环控制仿真模型主电路图

图3-2 三相电流滞环控制仿真模型子电路图1

图3-3 三相电流滞环控制仿真模型子电路图2

由图3-1，在电流滞环跟踪 PWM 逆变器仿真模型中，给定电流ia与输出电流 i*a经滞环比较后产生开关变量sinWave1、sinWave2、sinWave3，以控制桥臂上下开关器件的导通和关断。给定的正弦信号，其幅值为20A，频率为 50Hz，相位互差 2π/3，如图所示Relay为滞环比较器，当比较器的输入大于正的阀值时，比较器输出为 1；小于负的阀值时，输出为0。

模块参数名参数值

直流电源DC Amplitude/V 400

阻感模块RL Active power/W 30e2

Inductance/Var 8e3

表3-1 跟踪控制逆变器模型参数

图3-4给定正弦波参数

图3-5 滞环控制H参数设置仿真之后得到下列波形，如下图3-6到3-9：

图3-6 三相电流给定值