基于滑模控制感應加熱電源的電流仿真分析

1 引 言

　　本文介紹一種應用軟開關技術的感應加熱逆變電源控制器。運用軟開關技術，功率器件在電流過零點時進行切換，電流控制器采用離散時間狀態。在電路參數有規律的采樣中，輸出電流可以離散化，得到離散數學模型。針對感應加熱電源逆變控制器，提出了一種準滑模控制策略。該控制方案的優點有：設計的系統控制簡單，容易滿足實際的工業應用，可進行數字化處理；設計的系統控制對逆變器參數變化不敏感；控制系統可以實現全范圍的系統操作。

　　采用滑模控制方式的逆變器與傳統控制方式相比，具有良好的動態特性、魯棒性以及在電源和負載大范圍變化時能保證系統穩定性的優點。滑模控制方式要求全狀態變量反饋，且需要相應的基準參考量，增加電路設計的復雜性，所以一般的滑模控制方式大多停留在理論分析和仿真階段。

　　滑模控制與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，即一種使系統“結構”隨時間變化的開關特性。由于功率變換器中開關元件的存在，使滑模變結構控制理論得到廣泛應用。

2 負載回路的數學模型

　　圖1為串聯諧振感應加熱系統電路結構圖，其中負載回路由電容Cc、感抗L和電阻R串聯形成振蕩回路。假設直流電壓Vdc連續，C遠大于振蕩電容Cc，變壓器變比N為1。

　　假定初始電流為零，負載電路上電壓為VS，則輸出電流i0和電容電壓vc的時域方程為：

　　由于采用軟開關技術，系統的開關頻率等于振蕩頻率。串聯諧振電路的輸入電壓vs可由以下開關狀態決定：

　　為方便地表述逆變器運行狀態，引入一個新的離散變量M(k)如下；

　　圖2為運行狀態描述，(a)為開關導通狀態；(b)為輸出電流io，整流電流∣io∣，參考電流Iref，每半周期電流峰值Io；(c)為運行狀態(1：輸入功率模式，0：自由衰減模式)；(d)變壓器二次側電壓Vs。

　　于是，式(3)可改寫成為：

　　該式表明，運行狀態一旦確定，Vs的幅值為Udc，符號由i0(t)決定，式(5)中T=π／ωd是半個振蕩周期，每半個振蕩周期的輸出電流峰值絕對值Io和電容電壓Vc可用離散變量表示。由于Q遠大于1，可認為；Vc比Io滯后π／2，可得差分方程：

　　電容電壓Vc離散狀態的動態峰值由式(7)自身表示。將式(7)代入式(6)，就可得負載回路的離散電流狀態方程：

M=1電路工作在輸入功率模式下，諧振環節電流持續增加；

M=0電路工作在自由衰減模式下，諧振環節電流不斷減小；

M=-1電路工作在再生功率模式下，諧振環節電流較自由衰減模式減小更快；

　　本文只使用前2種工作模式，即在功率輸入與自由衰減2種狀態運行，變量u(k+1)表示電流控制強度，實際取值為{1，0.5，0}。根據以上分析得到的離散電流動態模型，可分析電流控制器設計方案。

3 滑模變結構電流控制策略

　　本節討論一種應用比例積分滑模的電流控制技術。目的是使在穩態下輸出電流峰值的絕對值Io有一個較小的電流偏移量時，能夠較為準確地跟隨于期望的參考電流Iref，在階躍輸入時可以有快速的瞬態響應和較小的超調量。

　　引入滑模變結構控制理論(the theory of VariableStructure Control，VSC)。所謂滑模變結構控制是：當系統狀態運動到某特定點，使得由狀態決定的切換函數值發生變化，系統運動方程由一種形式轉換為另一種形式，即結構發生變化。在不斷的結構變化中，系統以滑模形式運動至平衡點，由于逆變器內在的開關原理，使其非常適合滑模控制。它的突出優點是滑動模態可以具有對系統攝動、不確定性以及干擾的“完全自適應性”。由于電容和電感變化較小，可忽略其對滑模面的影響，故滑模控制策略有較好的適用性。電流控制的離散滑動模型可由式(8)表述。

　　滑模切換函數的選取影響系統的動態品質，本文采用電流誤差積分滑模面，切換函數可表述如下：

　　S為離散滑模切換函數，Ki為積分增益，Ie=Iref-Io為電流誤差。

　　電流控制器的控制律為：

　　感應加熱系統電路參數L，C和R已定，則滑模控制系統響應完全由Ki決定。采樣保持器檢測輸出電流峰值，并保存1個振蕩周期，與參考信號比較并產生誤差信號。電流控制器的輸出決定下一個運行狀態，當過零檢測器檢測到過零信號時就切換開關狀態。從滑模控制系統穩定性、快速響應性、較好的魯棒性和負載變化不敏感性等方面考慮，可以用較大的增益Ki來快速補償偏移量。增益Ki設計的恰當，就能有效消除基頻偏移量，得到穩定的輸出電流。

3.1 積分器增益Ki的確定

　　對于離散準滑模系統，準確到達切換面常是不可能的，這里假設：

　　考慮到當Iref=Imax或Iref=0時為電流控制的極限值，且u(k+1)的值為{1，0.5，0)，可確定增益值范圍：

3.2 切換面吸引性分析

　　系統進入準滑動模態的到達條件：

　　要保證實現滑模控制，必須使比例積分滑模控制切換面具有可到達性。考慮u(k)的控制作用，由圖2可以看出，當輸出電流連續2個T小于參考電流值Iref時，u(k+1)的值為1，系統處于功率輸出狀態，使負載電流峰值上升；當大于Iref兩個T時，u(k+1)的值為0，系統就切換為自由振蕩狀態；由于負載消耗，電流峰值必然會小于Iref，通過u(k+1)的計算，系統又切換至功率輸出狀態。由上述分析可知，狀態空間中任意工作點都可在控制律的作用下到達式(14)確定的切換面，即切換面具有可到達性。

3.3 穩定性分析

　　定義Lyapunov函數：



 
 

4 仿真結果分析

　　本文采用Matlab語言，編寫M函數對上述模型進行仿真。參數選取如下：

　　R=0.2 Ω，L=12.0μH，Cc=0.2μF

　　計算可知電路諧振頻率為100 kHz；增益Ki的值取為10000。設參考電流為60 A，初始電流值為0，N=4，則如圖3所示。

5 結語

　　針對串聯諧振感應加熱電源逆變器，建立逆變器的負載回路離散數學模型，分析比例積分滑模控制電流控制器切換面參數的選擇條件、可達性和滑模存在性及穩定性；選擇適當的增益后，可使滑模控制對輸出負載變化具有良好的快速性和魯棒性。根據此模型，使基于DSP控制策略容易實現。