电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术的仿真要点

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

一、电流滞环跟踪控制原理 (2)

二、三相电流滞环跟踪控制系统的仿真 (5)

1、建立系统仿真模型 (5)

2、模块参数设置 (6)

3、电路封装 (8)

4、作图程序设计 (10)

三、仿真波形及频谱分析 (12)

四、仿真结果分析与总结 (18)

1、仿真波形比较 (18)

2、电流频谱分析比较 (19)

3、相电压、线电压频谱分析比较 (19)

4、总结 (19)

五、课设心得体会 (20)

六、参考文献 (21)

摘要：

滞环控制是一种应用很广的闭环电流跟踪控制方法，通常以响应速度快和结构简单而著称。在各种变流器控制系统中，滞环控制单元一般同时兼有两种职能，一则作为闭环电流调节器，二则起着PWM调制器的作用，将电流参考信号转换为相应的开关指令信号。然而，滞环控制的开关频率一般具有很大的不定性，高低频率悬殊，其开关频率范围往往是人们在进行滞环控制系统设计师比较关心的重要方面，只有明确开关频率的计算方法，才便于进行开关器件、滤波参数及滞环控制参数的选择。

电流跟踪型逆变器输出电流跟随给定的电流波形变化，这也是一种PWM控制方式。电流跟踪一般都采用滞环控制，即当逆变器输出电流与给定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关状态，使逆变器输出电流增加或减小，将输出电流与给定电流的偏差控制在一定范围内。

关键词：电流滞环跟踪PWM、闭环控制、滞环控制器HBC、环宽、电流偏差、开关频率、响应波形、频谱图

一、电流滞环跟踪控制原理

常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM（Current Hysteresis Band PWM ——CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪PWM 控制的PWM 变压变频器的A相控制原理如1图所示。

图1 电流滞环跟踪控制的A相原理图

图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流i*a 与输出电流i a进行比较，电流偏差?i a超过时±h，经滞环控制器HBC 控制逆变器A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C二相的原理图均与此相同。采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM 电压波形示于图4。

?如果，i a < i*a ，且i*a - i a ≥h，滞环控制器HBC输出正电平，

驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增

大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持

导通，使继续增大

?直到达到i a= i*a+ h，?i a = –h，使滞环翻转，HBC输出负电

平，关断V1 ，并经延时后驱动V4

但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而

是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，，到达滞环偏差的下限值，使HBC 再翻转，又重复使导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图2 中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。

图2 电流滞环跟踪控制时的电流波形

图2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。

图3 三相电流跟踪型PWM逆变电路

图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。

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。

二、三相电流跟踪滞环控制系统的仿真

使用MATLAB软件中的Simulink和SimpowerSystems工具箱构建三相电流跟踪滞环控制系统的仿真模型。

1、建立系统仿真模型

仿真参数为：E=100-300V; f=50Hz;带宽2h=5-30; 步长h=0.0001s，其

他参数自定。

选用的模块主要有：Mux 、Sum 、Relay、Scope 、Sine Wave 、DC V oltage Source 、Ground 、Series RLC Branch 、Multimeter 、IGBT/Diode 、Logical Operator、Terminator、V oltage Measurement 、Powergui。

2、模块参数设置

Sine Wave Amplitude: 20 ;

Bias: 0;

Frequency(rad/sec): 100*pi ;

Phase (rad):0;

Sample Time:0

Sine Wave1 Amplitude: 20 ;

Bias: 0;

Frequency(rad/sec): 100*pi ;

Phase(rad) :-4*pi/3;

Sample Time:0

Sine Wave2 Amplitude: 20 ;

Bias: 0;

Frequency(rad/sec): 100*pi ;

Phase(rad) :-2*pi/3;

Sample Time:0

Sum Icon shape:round;

List of signs:|+-;

Sample time:-1 Multimeter2 Ib:Series RLC Branch Multimeter4 Ib:Series RLC Branch2 Multimeter5 Ib:Series RLC Branch1 Relay、Relay2、Relay4 Switch on point:2.5;

Switch off point:-2.5;

Output when on:1;

Output when off:0 Scope Number of axes:3;

Variable name:b Scope1 Number of axes:4;

Variable name:c Scope2 Number of axes:6;

Variable name:a

Logical Operator Logical Operator1 Logical Operator2 Operator:NOT; Number of input ports:1

DC V oltage Source DC V oltage Source1 Amplitude(V):100; Measurements:voltage

Series RLC Branch Resistance(Ohms): 5 ;

Series RLC Branch1

Series RLC Branch2 Inductance(H): 0.005 ; Capacitance(F): inf;

Measurements:Branch

vo;tage and

current 注：表格中未注明的参数为默认值；Relay 、Relay2、Relay4中的“Switch on point ”与“Switch off point ”的值的绝对值就是h ，2h 就是环宽。 此表格所设置的参数为E=200V ，f=50HZ,带宽2h=5。

在菜单栏中选中"Simulation","Configuration Parameters 、、、"将Stop

time 改为0.04，将Max step size 改为1e-4，将Solver 改为ode23tb(stiff/TR-BDF2),此时步长h=0.0001s.

3、电路封装

封装后的电路图如下所示：

其中子系统Subsystem和Subsystem1的内部图如下：

Subsystem内部图（脉冲电路图）

Subsystem1内部图（主电路图）

4、作图程序设计

在上述电路建立完成后，执行后双击各示波器可观察触发脉冲波形、相电压和线电压波形及电流波形，使用Powergui中的FFT Analysis可观察相电压和线电压的频谱图。

建立3个M文件分别用来编写触发脉冲波形、电流波形、电压波形的作图程序，其程序设计分别如下：

①触发脉冲波形作图程序

②电流波形作图程序

③相电压及线电压波形作图程序

三、仿真波形及频谱分析

（一）、环宽2h=5时的仿真波形及频谱分析

1、仿真波形

①触发脉冲波形

②电流波形

③电压波形

2、频谱分析（先用powergui将信离散化，号取采样时间为1e-6s）

①相电压频谱图

当环宽2h=5时，输出相电压的基波（50HZ）峰值为105.6，总谐波失真（THD）为174.25%。

②线电压频谱图

当环宽2h=5时，输出线电压的基波（50HZ）峰值为183.5，总谐波失真（THD）为142.12%。

③输出相电流频谱图

由频谱图可知，2h=5时，输出电流的基波（50HZ）峰值为20.14，总谐波失真（THD）为10.25%。

（二）、环宽2h=20时的仿真波形及频谱分析

1、仿真波形

①触发脉冲波形

②电流波形

③电压波形

2、频谱分析（先用powergui将信离散化，号取采样时间为1e-6s）

①相电压频谱图

当环宽2h=20时，输出相电压的基波（50HZ）的峰值为126.3，总谐波失真（THD）为134.96%，f=0时的直流分量为1.56%，谐波分量较大的有f=650HZ时的78.15%，f=550HZ时的54.16%，f=950HZ时的32.75%。

②线电压频谱图

当环宽2h=20时，输出线电压的基波（50HZ）的峰值为218.6，总谐波失真（THD）为116.25%，f=0时的直流分量为2.53%，谐波分量较大的有f=550HZ时的59.73%，f=650HZ时的44.35%，f=500HZ时的21.91%。

③输出相电流频谱

由频谱图可知，2h=20时，输出电流的基波（50HZ）峰值为24.26，总谐波失真（THD）为32.58%。

四、仿真结果分析与总结

1、仿真波形比较

由上述两组波形比较可知，当环宽2h=5时，其触发脉冲波形比2h=20时要更密集，即触发频率快，对IGBT的开关频率高；电流跟踪效果明显比2h=20时的要好，其总谐波失真也要比2h=20时小，但是可以看出在一个周期内，其电流在环宽内变化的次数也明显比2h=20时多，这与上面触发频率快相一致；其输出相电压与线电压的波形同样体现出2h=5时的开关频率比2h=20时的快，由波形的疏密容易看出。

2、电流频谱分析比较

由仿真出的电流波形的频谱图对比可知，当环宽较小（2h=5）时，电流的基波分量的峰值接近于给定电流峰值（20），且总谐波失真（THD）较小为10.25%；而当环宽较大（2h=20）时，电流的基波分量的峰值较大，明显大于给定电流的峰值，且总谐波失真（THD）较大为32.58%.

3、相电压、线电压频谱分析比较

由仿真出的相电压与线电压的波形已经容易比较出当环宽2h=5时，其波形较密，因其为PWM波形，所以由FFT Analysis分析出来的谐波失真应该比环宽2h=20时的要大，而频谱分析结果恰好符合上述分析，2h=5时相电压总谐波失真（THD）为174.25%，而2h=20时相电压总谐波失真（THD）为134.96%，2h=5时线电压总谐波失真（THD）为142.12%，而2h=20时线电压总谐波失真（THD）为116.25%.

4、总结

由上述分析可知，当所给环宽小时，电流跟踪控制的精度高，电流跟踪效果好，同时电流的谐波分量也少，但是对IGBT的开关频率要求高；二当所给环宽大时，电流跟踪控制的精度就减小了，电流跟踪的效果也变差，电流的谐波分量也高，不过降低了对IGBT的开关频率要求。

所以在现实应用中，应该根据所给开关器件如IGBT的开关频率范围来选择环宽的大小，一般在开关频率允许的条件下，尽可能地选择小的环宽，这样输出的电流波形质量越高。