一種新的準固定頻率滯環PWM電流控制方法

摘要：提出了一種新的準固定頻率滯環PWM電流控制方法，該方法在滯環電流控制的基礎上，引入頻率反饋控制，使開關頻率基本固定，解決了目前廣泛使用的固定頻率電流控制方法具有的次諧波振蕩的問題，并且具有穩定性好、響應速度快、控制精度高的優點。對現有的固定頻率電流模式控制方法和所提出的準固定頻率PWM電流控制方法的原理和閉環響應進行了分析，并通過實驗證實了分析的正確性。關鍵詞：滯環；準固定頻率；電流模式控制

1概述

電力電子裝置的作用是對電能進行高效、精確、快速地轉換和調節，因此控制技術在其中扮演著重要的角色。對電力電子裝置中的自動控制系統的要求有： 1)穩定性好很多用電設備和電路的穩定性和可靠性通常決定于為其供電的電力電子裝置，因此對其穩定性的要求更為嚴格。另外，電力電子器件抵抗過電壓和過電流的能力較傳統的電磁式電氣元件差，因此更要求其控制系統在各種工作狀況下均能保持穩定，具有較大的穩定裕量，以免在工作中發生振蕩時，使電力電子器件的電壓和電流超出安全工作區造成損壞。

2)穩態精度高電力電子裝置經常給各種精密的電子裝置和設備供電，要求的供電精度非常高，通常穩壓和穩流精度需要達到0.5～0.1％，有的甚至高達1×10－4或1×10－5。

3)快速性好電氣系統的時間常數比常規的機電系統短得多，而且電力電子裝置經常需要對電壓和電流波形等進行跟蹤控制，因此對其控制系統的快速性要求很高。

在電力電子裝置中，為了達到高效變換的目的，器件通常都工作在開關狀態，因此普遍采用PWM開關控制方法，與線性電源中所采用的調整管的控制方式相比，PWM開關控制是非線性時變的，這給控制系統的分析和設計帶來了很大的困難。通常采用狀態空間平均法[1]消除系統的時變特性，然后采用微擾法[2]，將系統在工作點附近局部線性化，得到近

一種新的準固定頻率滯環PWM電流控制方法

(a)電壓模式控制系統

圖1電壓模式控制和電流模式控制的比較

（b)電流模式控制系統

似的線性定常系統，便可以用已有的方法進行分析，如頻域法等。

傳統的單變量反饋控制很難同時達到穩定性和快速性的要求，因此控制系統經常采用多變量狀態反饋的結構，并引入前饋來提高性能，其中最典型的就是電流模式控制。采用電流模式控制后，可以收到以下良好的效果：

1)系統的穩定性增強，穩定域擴大。

2)系統動態特性改善，響應速度加快。

3)具有快速限制電流的能力，可以達到保護器件的目的。

通常用的電流模式控制方法可以分成峰值電流模式控制[2]、平均值電流模式控制[3]及電荷模式控制[4]等。然而目前已有的幾種電流模式控制方法都存在次諧波振蕩的問題，影響了穩定性的提高，雖然有一些解決辦法，但都是以犧牲快速性和穩態精度為代價的。

本文從滯環PWM控制方法出發，提出一種準固定頻率滯環PWM電流控制方法，該方法在滯環電流控制電路中引入頻率反饋，解決了滯環PWM控制開關頻率大范圍變化造成濾波器設計困難的問題，并且在穩定性、快速性和穩態精度等方面均達到或超過現有的幾種固定頻率電流模式控制方法。本文對該控制方法進行了深入的分析和闡述，并通過實驗證實了其優越的性能。

2電壓模式控制和電流模式控制

目前，開關電源的控制方式有電壓模式控制和電流模式控制兩類。其基本結構如圖1所示，圖1（a）為電壓模式控制系統的結構，圖1（b）為電流模式控制系統的結構。圖中VR為電壓調節器，CR為電流調節器，PWM為PWM調制環節，畫有開關的環節為開關電路，LC電路是主電路中的濾波環節，RL是負載。

采用電壓模式控制的開關電源控制系統僅有單一的電壓控制環，該系統有一對高Q值的開環共扼極點，在開環頻率特性曲線上表現為一個很高的諧振峰，使系統傾向于振蕩。為了消除該共扼極點對系統穩定性造成的不利影響，通常電壓調節器采用PI或PID對系統開環頻率特性進行校正，而這種校正方法壓低了系統低頻段的增益，使系統響應速度變慢，動態特性變差。

電流模式控制方法在系統中引入電流反饋，以改造系統的開環頻率特性，使其變得更加容易校正。通常，采用電流模式控制后，電壓環的開環傳遞函數中不再有共扼極點，其頻率特性曲線也沒有高的諧振峰，因此電壓環的校正變得較為容易，可以選取較高的開環增益，從而提高系統的動態特性，同時保持很好的穩定性。

然而電流模式控制也有其固有的缺點，就是次諧波振蕩問題。