文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173903
中文引用格式： 王賢東，邵如平，李艷. 基于滑模變結構與內(nèi)模控制相結合的VIENNA整流器控制策略研究[J].電子技術應用，2018，44(9)：150-153.
英文引用格式： Wang Xiandong，Shao Ruping，Li Yan. Research on control strategy of VIENNA rectifier based on sliding mode variable structure and IMC[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：150-153.
0 引言
伴隨著我國新能源汽車戰(zhàn)略的推廣以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷進步與發(fā)展，新能源汽車行業(yè)已經(jīng)進入了一個嶄新的發(fā)展時代[1]。電動汽車充電機的發(fā)展帶動了新能源汽車的發(fā)展。VIENNA整流器是一種新型的功率因素校正電路拓撲，它以其開關應力小、開關數(shù)目少、不需要設置開關死區(qū)補償控制、輸入低諧波高功率因素等特點，常被用來設計作為電動汽車充電機的前級，以實現(xiàn)前級電路的整流以及有源功率因數(shù)校正。
系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性與系統(tǒng)控制策略緊密相關。近年來，國內(nèi)外學者對VIENNA整流器的控制策略進行了大量的研究。其中，文獻[2]提出了將滯環(huán)控制策略應用于VIENNA整流器，滯環(huán)控制策略能夠簡化系統(tǒng)結構，所以該策略易于實現(xiàn)，同時它的魯棒性以及系統(tǒng)的響應速度都很好。但是采用滯環(huán)控制策略的電路往往有線路電流之間的耦合性強以及開關頻率不固定等一些缺點。文獻[3]首次提出了基于單周期控制的PWM整流器控制策略，文獻[4]將單周期控制策略應用于VIENNA整流器。該控制策略有效改善了控制結構并且有穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點，而VIENNA整流器自身存在的中點電位不平衡的問題并沒有能夠解決。PI控制是現(xiàn)前應用最為廣泛的控制方法[5]，但是它對系統(tǒng)模型的精確度要求很高，參數(shù)整定較為復雜，魯棒性以及動態(tài)響應往往難以滿足設計要求。除此之外，無源性控制方法和直接功率控制方法也被用在了VIENNA整流器的控制器設計上，并且都不同程度地提高了整流器的性能，而同時它們也存在著參數(shù)整定的困難和直流電壓難以跟蹤等一些問題。本文提出一種滑模變結構和內(nèi)模控制方法相結合的控制方式，并將此控制方式應用在VIENNA整流器中。
本文將滑模變結構控制(SMC)應用于VIENNA整理器電壓外環(huán)的設計，電流內(nèi)環(huán)則是采用內(nèi)?？刂?IMC)進行設計。仿真和實驗結果表明，該控制策略魯棒性強，不依賴負載參數(shù)，動態(tài)響應快，相比PI控制、滯環(huán)控制等控制策略有更強的優(yōu)越性。
1 三相VIENNA整流器基本原理
VIENNA整流器的主電路拓撲如圖1所示。
為了方便研究其控制策略，現(xiàn)在對其作出假定：所有開關器件均為理想器件，電路開關頻率遠遠大于網(wǎng)側基波頻率，三相輸入電源工作在理想狀態(tài)。根據(jù)文獻[6-8]，則電路拓撲在dq坐標系下的數(shù)學模型為：
2 電流內(nèi)環(huán)內(nèi)模控制策略
2.1 內(nèi)?？刂圃?/strong>
內(nèi)?？刂疲↖MC）的設計依據(jù)過程數(shù)學模型，作為一種新型的控制策略具有控制器設計簡便和控制性能穩(wěn)定等優(yōu)點，IMC的基本原理如圖2、圖3所示。
圖2中，系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號分別為R(s)和Y(s)；GIMC(s)和G(s)分別為系統(tǒng)內(nèi)?？刂破骱拖到y(tǒng)控制對象；
是被控對象的內(nèi)模；D(s)和d(s)分別為系統(tǒng)外界擾動和系統(tǒng)誤差負反饋。
圖3為等效的控制圖，其中：
2.2 三相VIENNA整流器電流內(nèi)?？刂?/strong>
根據(jù)式(1)，令：
3 電壓外環(huán)控制器設計
3.1 滑模變結構控制器設計關鍵
滑模變結構控制作為一種非線性控制已經(jīng)逐步在電力電子控制領域取得了廣泛的應用。設計滑?？刂破鞯年P鍵首先在于保證其滑動模態(tài)的存在，在此基礎上使滑模運動能夠趨于穩(wěn)定并且最終滿足系統(tǒng)的品質(zhì)要求。
3.2 基于滑模變結構的VIENNA整流器電壓外環(huán)設計
VIENNA整流器控制系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。
4 仿真及實驗驗證
為驗證基于滑模變結構的VIENNA整流器的內(nèi)?？刂撇呗缘目煽啃院蛢?yōu)越性，用MATLAB/Simulink按圖4搭建了模型對系統(tǒng)進行仿真。仿真模型的參數(shù)分別為：網(wǎng)側輸入相電壓的有效值為110 V，頻率是50 Hz；直流輸出電壓設定值為
=300 V；網(wǎng)側電感值為2 mH；直流輸出側的電容值為2 200 μF；開關頻率12 kHz。
圖5是系統(tǒng)剛啟動時的直流輸出電壓響應波形。由此可見，輸出電壓在0.03 s左右的時候就達到穩(wěn)定，響應速度和超調(diào)都較為理想，這就表明滑模控制策略的作用是強迫使系統(tǒng)運行軌跡在滑模面上運動并最終使系統(tǒng)快速趨向穩(wěn)定。圖6為系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的網(wǎng)側電壓/電流波形，由圖可見電壓、電流為同相位且是標準正弦波，系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下運行。
圖7為直流給定電壓在0.35 s時增加100 V并在0.12 s時跌落100 V的系統(tǒng)動態(tài)響應圖。結合圖7和圖8可知，直流輸出電壓在0.35 s后只用了極短的時間就穩(wěn)定在400 V，輸出電壓能精確跟蹤電壓給定值。給定電壓突增或者突減時，輸入電流也相應地突增或者突減并能保持標準正弦波形，電壓電流能始終保持同相，系統(tǒng)功率因數(shù)為1。
搭建實驗平臺進一步驗證所提理論的可行性。樣機參數(shù)與仿真參數(shù)相同，樣機采用TMS320F28033作為主控芯片來完成電壓、電流的采樣控制以及系統(tǒng)的驅(qū)動分配和電路的監(jiān)控與保護。選用STM公司的型號為STW48NM60N大功率MOS管和GBJ25120整流橋組成雙向開關。
從圖9的直流電壓輸出波形可以看到直流輸出電壓跟隨性好、紋波小且電壓值穩(wěn)定；由網(wǎng)側電壓和電流波形可見輸入電流可以較好地跟隨輸入電壓且為正弦波，諧波成分較少，電流、電壓接近同相位，從而實現(xiàn)了樣機的單位功率因數(shù)控制。
5 結論
本文介紹了一種新的非線性控制策略并將其應用于VIENNA整流器，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分別采用滑模控制和內(nèi)?？刂频目刂品绞健Ｔ诖丝刂撇呗韵逻M行了MATLAB/Simulink建模仿真以及搭建了實驗平臺對其進行實驗驗證，仿真結果表明在這種控制策略下VIENNA整流器的輸出電壓響應速度快、超調(diào)量小。當給定電壓發(fā)生突變時，輸出電壓還能較好跟蹤給定電壓且變化值小，說明該控制策略動態(tài)性能良好且抗干擾能力強。輸入電壓和電流始終保持在同相位，且系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)下。實驗結果則更好地驗證了該控制策略的可行性。
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作者信息：
王賢東，邵如平，李 艷
(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816)