基于滑模控制的PWM整流器的研制

摘要：在建立三相PWM整流器的非线性数学模型的基础上，针对传统PI控制难以达到良好的控制效果的问题，采用电压外环为滑模变结构控制，电流内环为前馈解耦控制的方法，并且以DSP为主控芯片搭建实验样机，为降低开关损耗，采取五段式空间矢量调制，实验结果验证了控制策略的可行性和优越性。
关键词：整流器；滑模控制；前馈解耦；空间矢量调制

1 引言
    三相PWM整流器具有四象限运行，功率因数高，输入电流谐波含量小等优点，符合“绿色能源”的发展方向，具有广阔的应用前景。目前多采用双环PI控制策略，但由于系统的非线性和强耦合性，很难达到良好的控制效果。滑模变结构控制具有自适应性，动态响应快，快稳定范围等优点，特别适合电力电子系统的开关控制。针对此，这里采用电压外环滑模控制策略，电流内环采用传统的前馈解耦策略，实验结果证明这种混合控制具有较好的动态和稳态性能，应用前景良好。

2 PWM整流器的数学模型
    三相电压型PWM整流器的主拓扑如图1所示。ua，ub，uc为三相输入交流电，L，R为输入电感和电路等效内阻，C为输出侧直流电容，RL为负载，定义开关函数：
   
    可得到其状态方程为：
   

    通过坐标变换则可以得其d，q旋转坐标系数学模型为：
   

3 滑模电压控制
    滑模控制迫使系统的状态轨迹沿着设计好的滑模面运动到平衡点，系统一旦进入滑动模态，在一定条件下对外界干扰及参数扰动具有不变性，从而具有比鲁棒性更加优越的完全自适应性，具有抗扰性强，动态响应好等优点。选取状态变量偏差ev=Uref-Udc，Uref为电压给定量，则滑模面为：
   
    在三相平衡系统中，单位功率因数若要实现，则稳态时，iq=uq=diq／dt=0，则Sq=-ωLid／Udc，在稳态条件下id为直流量，可令Lid ／dt=0，得Sd=-(ud-Rid)／Udc，等功率坐标变换下，Ums为输入交流电相电压的有效值。又直流电压给定为恒定值，则dUref／dt=0，将Sd，ud代入式(5)化简得：
   

4 电流环前馈解耦控制
    由式(3)可知：
   
    可见，为了达到d，q轴解耦的目的，单位功率因数运行时，iqref=0。

5 五段式空间矢量调制方式
    对于理想的三相正弦电压，电压空间矢量定义为U=ua+aub+a2uc，其中。
    三相VSR的空间矢量共有8条．其中2条为零矢量，其分布如图2所示，对于任意给定参考电压矢量，均可由这8条矢量合成，传统合成方式是在开始、结束和中间穿插U0和U7，每个开关周期每个开关均有一次开关动作。这里采取在一个开关周期内保持一开关不动作，仅有两个开关管动作，即零矢量只用U0或U7，这样开关频率降低为传统方式的2／3。图中，在任意一扇区内均有一开关管保持不变，有效地降低了开关的损耗。

6 实验结果
    搭建实验平台，控制芯片为TMS320F2812，主电路电感选取4 mH，电容为两个4700μF串联，IGBT选用CM150DY-24H型IGBT桥臂模块，最大电压为1200 V，最大通态电流为150 A，开关频率设置为15 kHz，直流输出电压650 V，带30 Ω纯电阻负载，额定功率在14 kW。根据电路参数设计了电压电流双环控制参数，采取五段式空间矢量调制方式，有效地降低了开关损耗。图3a为额定功率下a相电压电流波形，功率因数接近于1，图3b分别示出由空载到带载时，带载时由不控到可控和空载时由不控到可控的Udc和ia波形。

7 结论
    实验结果表明样机功率因数接近于1，额定功率时谐波含量为2％，滑模控制响应速度快且无明显超调，在负载扰动时，电压无明显波动，电流响应好，验证了控制思想的正确性和优越性。采取五段式空间矢量调制，明显降低了开关损耗，提高了效率，在中大功率应用场合具有一定的发展前景。