CN103856088A - 一种变定时周期的滞环电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变定时周期的滞环电流控制方法，其特点是通过建立指令电流变化与定时周期的关系，根据指令电流频率和幅值的变化调整定时周期，从而完成变定时周期的滞环电流控制。本方法由可变的定时周期取代传统定时滞环电流控制的固定时钟周期，在降低开关频率的同时，通过改变定时周期保持开关频率基本恒定，使得逆变器输出频谱更为固定，有利于对输出滤波器的优化设计。

Description

一种变定时周期的滞环电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种滞环电流控制方法，特别是涉及一种在高频条件下的根据指令电流变化改变定时周期的滞环电流控制方法。

背景技术

由于滞环电流控制具有电路结构简单、电流响应速度快、参数鲁棒性好等优点，在电流跟踪控制技术中应用最为广泛。但是在传统的滞环电流控制方式中，由于滞环宽度是固定的，虽然电流跟踪误差范围是固定的，但是同时器件的开关频率是随时变化的，因此会出现开关频率过高甚至超出器件的开关频率限制，这对于器件的工作频率提出了过高的要求。同时开关频率处在随时的变化中，这样会使得逆变桥输出频谱分布广泛，增加输出滤波器的设计难度。

针对以上传统的滞环电流控制方式下开关频率随时变化的缺点，目前主要的解决方案包括变环宽滞环电流控制和固定频率滞环电流控制等。

在公开中国专利申请号200610040522.X中提出一种变环宽的滞环电流控制方法，通过动态计算平滑调节环宽，实现了滞环电流控制开关频率的恒定。

L.Malesani和P.Tenti提出一种采用锁相环技术将开关信号与一频率固定的时钟信号相比较，得到其相位差后经过比例积分环节得到期望的滞环比较器环宽，进而完成滞环电流控制。

西安交通大学杨旭、王兆安提出一种准固定频率的滞环电流控制方法，在滞环电流控制的基础上引入频率反馈控制，使开关频率基本固定。

虽然以上几种滞环电流控制方式可以使得开关频率基本保持恒定，但是环宽的改变同时会引起跟踪误差随之改变，电流畸变也随之增加。而且在高频条件下，为了避免器件开关频率过高的现象出现，必须对器件的开关频率加以控制，以免开关频率过高而损坏器件。针对以上问题一种可行有效的办法就是采用定时滞环电流控制方式。定时滞环电流控制是通过时钟定时对电流误差进行滞环判断，因此开关频率被限制在时钟频率的一半以内，尤其适用在高频条件下的电流跟踪控制。但是传统的定时滞环电流控制在限制开关频率的同时使得跟踪误差增大；并且跟踪误差和开关频率不固定，随着指令电流的变化而波动，使得电流畸变随之增加。

针对以上传统定时滞环电流控制的缺点，东南大学许胜、赵剑峰等人提出一种三电平定时滞环电流控制方法，通过增加交流侧输出电压零电平，减小电流跟踪误差，但是同时由于环宽固定存在开关频率不断变化的问题。

发明内容

本发明的目的是针对传统的定时滞环电流控制方法的不足，提出了一种变定时周期的滞环电流控制方法。本发明提出的这种变定时周期的滞环电流控制方法，通过指令电流的幅值和频率变化对定时周期进行调整，并对电流误差进行定时滞环判断，旨在补偿传统定时滞环电流控制中电流跟踪误差较大、电流跟踪精度低的缺点。为了实现上述目的，本发明将传统定时滞环电流控制的固定时钟周期由可变的定时周期取代，通过指令电流的变化相应的调节定时周期来满足系统对于跟踪误差和开关频率的要求，在保留了降低开关频率优势的同时，可以改善传统滞环电流控制中跟踪误差较大、电流跟踪精度低的缺点；并且通过改变定时周期保持开关频率基本恒定，使得逆变器输出频谱更为固定，有利于对输出滤波器的优化设计。

本发明给出的技术方案如下：

一种变定时周期的滞环电流控制方法，其特点是通过建立指令电流变化与定时周期的关系，根据指令电流频率和幅值的变化调整定时周期，从而完成变定时周期的滞环电流控制，有以下步骤：

(1)在传统的定时滞环控制模型下，通过仿真得到不同定时周期下的跟踪电流误差，并通过曲线拟合分析建立定时周期和跟踪电流误差的关系；

(2)在传统的定时滞环控制模型下，通过仿真分别得到指令电流的幅值和频率改变情况下的跟踪电流误差，并通过曲线拟合分析分别建立指令电流的幅值和频率变化与跟踪电流误差的关系；

(3)结合以上分析建立指令电流的变化与定时周期的关系，并在传统的定时滞环比较器的基础上加设按指令电流变化的前馈环节，根据指令电流的幅值和频率变化得到实时调整的定时周期信号，进而完成滞环电流控制。

所述调整定时周期是通过指令电流的变化与定时周期的关系，在传统的定时滞环电流控制方式基础上加设按指令电流变化的前馈环节，根据指令电流的幅值和频率的变化对定时周期进行修正。

可以根据系统对跟踪误差和开关频率的不同要求，相应的改变定时周期来满足系统的要求，包括：

在系统对于跟踪精度要求较高时，可以根据指令电流的变化按修正率相应的减小定时周期，从而降低跟踪误差，提高跟踪精度，同时满足开关频率的限制要求；或在系统对与开关频率的限制范围要求较高时，可以根据指令电流的变化按修正率相应的增大定时周期，从而减小开关频率，降低开关损耗，同时满足跟踪误差的要求。

所述步骤(1)中，按照传统的定时滞环电流控制方法，用一个带有时钟控制的滞环比较器替代传统的滞环比较器功能。由于传统的定时滞环电流控制方式下，加入定时周期的控制，使得跟踪误差较传统的滞环比较方式增加。为了可以通过改变定时周期来实现跟踪误差的减小，首先要分析定时周期与跟踪误差的关系。本发明通过理论和仿真分析来建立定时周期和跟踪误差之间的关系，在传统的定时滞环电流控制的基础上，分别改变定时周期从而得到不同的跟踪误差，以此通过曲线拟合分析建立定时周期和跟踪误差之间的关系。

所述步骤(2)中，在传统的定时滞环电流控制的基础上，分别改变指令电流的幅值和频率，通过理论和仿真分析建立跟踪误差和指令电流的幅值和频率变化的关系。在仿真过程中，分别改变指令电流的幅值和频率，得到指令电流变化情况下的跟踪误差，最后通过曲线拟合建立跟踪误差和指令电流变化的关系。

所述步骤(3)中，根据步骤(1)和(2)中得到的定时周期和跟踪误差的关系结合指令电流的变化与跟踪误差的关系，建立指令电流的变化与定时周期的关系。并且在传统的定时滞环比较器的基础上加设按指令电流的前馈补偿环节，根据指令电流的变化得到实时调整的定时周期信号，从而完成滞环电流控制。

由于传统的滞环电流控制方法是采用一个带有时钟控制的滞环比较器代替传统的滞环比较器功能，这样可以降低器件的开关频率，满足系统在高频条件下对开关频率的要求。但是同时由于定时周期时固定不变，这样在主电路参数固定的情况下，会造成电流跟踪误差增大的情况，并且同时跟踪误差和开关频率不固定，随着指令电流的变化而波动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：可以根据指令电流变化动态的调整定时周期，在保留了传统定时滞环电流控制在降低开关频率上的优势的同时，改善传统滞环电流控制中跟踪误差较大、电流跟踪精度低的缺点；并且通过改变定时周期保持开关频率基本恒定，使得逆变器输出频谱更为固定，有利于对输出滤波器的优化设计。

附图说明

图1为传统的定时滞环电流控制原理图；

图2为定时滞环电流控制误差形成原理图；

图3为定时周期与平均跟踪误差的拟合曲线图；

图4为指令电流幅值变化时电流跟踪波形图；

图5为指令电流频率变化时电流跟踪波形图；

图6为指令电流幅值变化与平均跟踪误差的拟合曲线图；

图7为指令电流频率变化与平均跟踪误差的拟合曲线图；

图8为改变定时周期的滞环电流控制系统原理图；

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为传统定时滞环电流控制的原理图。用一个带有时钟控制的滞环比较器替代传统的滞环比较器功能。以A相为例，通过指令电流i_a*与实际补偿电流i_a进行比较，将跟踪误差Δi_a送入滞环比较器，当跟踪误差Δi_a超出环宽并且定时器完成了一个定时周期T_C时，开关状态发生改变，如此反复从而完成电流跟踪控制。由于定时滞环电流控制通过时钟定时对电流误差进行滞环判断，因此开关频率被限制在时钟频率的一半以内，从而避免了开关器件频率过高的情况发生，尤其适用在高频的条件下的电流跟踪控制。

虽然传统的定时滞环电流控制在降低器件的开关频率具有一定的优势，但是正是由于需经过每个定时周期才对电流误差进行滞环判断，从而使得跟踪误差有所增大。

图2为定时滞环电流控制误差形成原理图。单纯的滞环电流控制在补偿电流i_a上升过程中，在t₁’时刻的偏差已达到环宽上限，开关状态将发生改变，使得电流下降；但是在定时滞环电流控制方式下，直到t₁时刻定时周期到达时，开关状态才发生改变，而此时补偿电流已经超出环宽的范围；同理在i_a下降的过程中，在并没有在单纯滞环电流控制方式的t₆’时刻通过控制脉冲切换开关状态，所以此时电流方向并没有发生改变，继续下降到t₆时刻定时周期到来时才改变开关状态，而此时i_a同样已经超过环宽的范围。通过这样的理论分析不难发现虽然通过定时周期的设置使得开关频率有所降低，但是同时使得误差Δi_a增大，补偿的稳定性下降，从而使得补偿电流的谐波含量相应的增加。

本发明提出的变定时周期的滞环电流控制方法对上述传统的定时滞环电流控制方法进行改进：

第一步，建立定时周期与跟踪误差的关系。

首先，按照传统的定时滞环电流控制方法建立仿真模型，在仿真中选择正弦波作为指令电流，其频率和幅值分别为1000Hz和10A，滞环宽度选择为0.1A。通过仿真得到不同定时周期下的平均跟踪误差。

其次，根据仿真中不同定时周期下的平均跟踪误差，通过曲线拟合建立定时周期与平均跟踪误差的关系如图3所示。由曲线拟合结果可知，平均跟踪误差与定时周期成一次线性关系，即：

f(x)＝ax+b                       (1)

其中，f(x)为平均跟踪误差，x为定时周期，a和b为常数。

第二步，建立指令电流的变化与跟踪误差的关系。

首先，通过理论分析可知，在主电路参数不变的情况下，补偿电流在固定时间的变化率是不变的，因此若指令电流的幅值或频率增大，即固定时间的电流变化率变大，因此补偿电流的跟踪速度会相对变慢，从而导致补偿电流在环宽外变化的时间增加，跟踪误差增大。同时，正是由于补偿电流的跟踪速度变慢，导致开关频率降低。图4和图5所示为指令电流的幅值和频率变化时电流跟踪波形。

在图4所示的指令电流幅值变化时电流跟踪波形图中，由于定时滞环控制选择为下降沿触发的脉冲控制方式，即当跟踪误差超出滞环上下限，并且同时满足定时周期信号的下降沿到来时，跟踪电流i_c才发生翻转。在第一个下降沿到来的时刻，由于两跟踪信号i_c1和i_c2均超出环宽，发生翻转，电流开始增大。在第二个脉冲下降沿到来的时刻，两跟踪信号都没有超出环宽，于是i_c1和i_c2继续增加，等待下一个脉冲下降沿到来并且超出环宽上限的时刻。在第三个脉冲下降沿到来的时刻，跟踪电流i_c1超出环宽的上限，发生翻转，电流开始下降；而i_c2还没有超出其指令电流i_c2*的环宽上限，所以其电流继续增加。直到第四个脉冲下降沿到来时刻，此时i_c2已超出环宽上限，所以在此时i_c2发生翻转，电流开始下降的过程；与此同时，i_c1在下降过程中已经超出了其指令电流i_c1*环宽的下限，其电流开始上升的过程。以后的各个定时脉冲周期电流跟踪的原理相同，在此不再赘述。

由以上的分析可知，由于指令电流的幅值发生改变，对于i_c2*来说其相同时间段内的电流变化率要大于i_c1*。在主电路参数不变的情况下，补偿电流的变化率在相同的时间段内是不变的，于是造成指令电流幅值增大时，补偿电流i_c2跟踪其指令电流i_c2*的速度相对变慢，在定时周期不变的前提下，这势必会使得补偿电流i_c2已经超出环宽并等待定时脉冲到来的时间增加，从而造成跟踪误差变大的情况，而与此同时跟踪电流发生翻转的次数减少，即相应的开关频率降低。由此可以得出，在指令信号的幅值增大时，可以相应的减小其定时周期，即增加其开关频率，使跟踪电流能够在超出环宽后短时间内发生翻转，相对快速的跟踪指令电流的变化，达到跟踪误差减小的目的，同时满足开关频率处在系统的限制范围。同理对于图5所示的指令电流频率变化的情况可以得到相同的理论分析结论，在此不作详细的说明。

其次，在仿真中将指令电流设置为频率1000Hz的正弦波，在定时周期为25us的条件下得到指令电流的不同幅值与平均跟踪误差数据。同理，将指令电流设置为幅值10A的正弦波，在定时周期为25us的条件下得到指令电流的不同频率与平均跟踪误差数据。

根据以上两组数据，通过曲线拟合分别建立指令电流的幅值和频率的变化与平均跟踪误差的关系如图6和图7所示。由图6中曲线拟合结果可知，平均跟踪误差与指令电流的幅值变化成不含常数项的幂指数关系，即：

f(x)＝ax^b                      (2)

其中，f(x)为平均跟踪误差，x为指令电流的幅值，a和b为常数。

由图7中的曲线拟合结果可知，平均跟踪误差与指令电流的频率变化成幂指数的关系，即：

f(x)＝ax^b+c                      (3)

其中，f(x)为平均跟踪误差，x为指令电流的频率，a、b、c为常数。

第三步，建立指令电流的变化与定时周期的关系，根据指令电流的变化实时调整定时周期，完成滞环电流控制。

首先，通过定时周期与平均跟踪误差的关系以及指令电流的变化与平均跟踪误差的关系，建立指令电流变化与定时周期的关系。

$T=\frac{K}{a_1{A}^{b_1}+a_2{F}^{b_2}}---\left(4\right)$

其中，T为定时周期，A为指令电流的幅值，F为指令电流的频率，K为修正系数，a₁、a₂、b₁、b₂为常数。

其次，在传统的定时滞环电流控制的基础上，加设按指令电流变化的前馈环节，变定时周期的滞环电流控制系统原理如图8所示。根据指令电流的幅值和频率变化得到实时调整的定时周期信号，从而完成滞环电流控制。在指令信号的幅值和频率增加时，相应的减小定时周期，在满足开关频率限制的同时减小跟踪误差，提高电流的跟踪精度；在指令信号的幅值和频率减小时，相应的增大定时周期，在满足跟踪误差的同时减小开关频率，避免开关频率过高引起的开关损耗。

通过以上对于变定时周期的滞环电流控制方式的分析，搭建仿真模型，得到本发明中变定时周期的滞环电流控制方式下和传统的定时滞环方式下，平均开关频率以及平均跟踪误差的数据如表1和表2所示。在仿真过程中，选择仿真时间为0.03s，传统定时滞环比较方式下的定时周期为25us，指令电流为正弦波。对于不同采样时间下的正弦波有着不同的幅值和频率，在指令电流的幅值和频率增大的采样时间内，按照(4)式的关系对指令电流的幅值和频率进行修正，得到实时调整的定时周期，完成变定时周期的滞环电流控制。

表1为传统定时滞环与改变定时周期滞环电流控制平均开关频率数据对比；

表1

表2为传统定时滞环与改变定时周期滞环电流控制平均跟踪误差数据对比。

表2

通过表1和表2中的数据可以明显的看出在采用改变定时周期的滞环电流控制方式下，改变定时周期的采样时间内误差明显减小，并且通过对定时周期的调整，使得开关频率相对稳定，从而使得逆变器输出频谱更为集中。通过以上的仿真结果说明本发明中变定时周期的滞环电流控制方法既保留了传统的定时滞环电流控制方式在高频条件下降低开关频率的优势，同时通过变定时周期使得跟踪误差减小，平均开关频率更为集中，提高了滞环电流控制的稳定性。

Claims (3)

1.一种变定时周期的滞环电流控制方法，其特征在于通过建立指令电流变化与定时周期的关系，根据指令电流频率和幅值的变化调整定时周期，从而完成变定时周期的滞环电流控制，有以下步骤：

(1)在传统的定时滞环控制模型下，通过仿真得到不同定时周期下的跟踪电流误差，并通过曲线拟合分析建立定时周期和跟踪电流误差的关系；

(2)在传统的定时滞环控制模型下，通过仿真分别得到指令电流的幅值和频率改变情况下的跟踪电流误差，并通过曲线拟合分析分别建立指令电流的幅值和频率变化与跟踪电流误差的关系；

(3)结合以上分析建立指令电流的变化与定时周期的关系，并在传统的定时滞环比较器的基础上加设按指令电流变化的前馈环节，根据指令电流的幅值和频率变化得到实时调整的定时周期信号，进而完成滞环电流控制。

2.根据权利要求1所述的变定时周期的滞环电流控制方法，其特征在于所述调整定时周期是通过指令电流的变化与定时周期的关系，在传统的定时滞环电流控制方式基础上加设按指令电流变化的前馈环节，根据指令电流的幅值和频率的变化对定时周期进行修正。

3.根据权利要求1所述的变定时周期的滞环电流控制方法，其特征在于根据系统对跟踪误差和开关频率的不同要求，相应的改变定时周期来满足系统的要求，包括：

在系统对于跟踪精度要求较高时，根据指令电流的变化按修正率相应的减小定时周期，从而降低跟踪误差，提高跟踪精度，同时满足开关频率的限制要求；或在系统对与开关频率的限制范围要求较高时，根据指令电流的变化按修正率相应的增大定时周期，从而减小开关频率，降低开关损耗，同时满足跟踪误差的要求。

Images