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略的推廣以及新能源汽車產業的不斷進步與發展，新能源汽車行業已經進入了一個嶄新的發展時代[1]。電動汽車充電機的發展帶動了新能源汽車的發展。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、開關數目少、不需要設置開關死區補償控制、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，以實現前級電路的整流以及有源功率因數校正。
系統的動態性能和魯棒性與系統控制策略緊密相關。近年來，國內外學者對VIENNA整流器的控制策略進行了大量的研究。其中，文獻[2]提出了將滯環控制策略應用于VIENNA整流器，滯環控制策略能夠簡化系統結構，所以該策略易于實現，同時它的魯棒性以及系統的響應速度都很好。但是采用滯環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態誤差小等優點，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控制是現前應用最為廣泛的控制方法[5]，但是它對系統模型的精確度要求很高，參數整定較為復雜，魯棒性以及動態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整理器電壓外環的設計，電流內環則是采用內模控制(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，動態響應快，相比PI控制、滯環控制等控制策略有更強的優越性。
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側基波頻率，三相輸入電源工作在理想狀態。根據文獻[6-8]，則電路拓撲在dq坐標系下的數學模型為：
2 電流內環內模控制策略
2.1 內模控制原理
內模控制（IMC）的設計依據過程數學模型，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定等優點，IMC的基本原理如圖2、圖3所示。
圖2中，系統的輸入信號和輸出信號分別為R(s)和Y(s)；GIMC(s)和G(s)分別為系統內模控制器和系統控制對象；
是被控對象的內模；D(s)和d(s)分別為系統外界擾動和系統誤差負反饋。
圖3為等效的控制圖，其中：
2.2 三相VIENNA整流器電流內模控制
根據式(1)，令：
3 電壓外環控制器設計
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逐步在電力電子控制領域取得了廣泛的應用。設計滑模控制器的關鍵首先在于保證其滑動模態的存在，在此基礎上使滑模運動能夠趨于穩定并且最終滿足系統的品質要求。
3.2 基于滑模變結構的VIENNA整流器電壓外環設計
VIENNA整流器控制系統結構框圖如圖4所示。
4 仿真及實驗驗證
為驗證基于滑模變結構的VIENNA整流器的內模控制策略的可靠性和優越性，用MATLAB/Simulink按圖4搭建了模型對系統進行仿真。仿真模型的參數分別為：網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定，響應速度和超調都較為理想，這就表明滑模控制策略的作用是強迫使系統運行軌跡在滑模面上運動并最終使系統快速趨向穩定。圖6為系統在穩定工作狀態下的網側電壓/電流波形，由圖可見電壓、電流為同相位且是標準正弦波，系統在單位功率因數下運行。
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的系統動態響應圖。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，系統功率因數為1。
搭建實驗平臺進一步驗證所提理論的可行性。樣機參數與仿真參數相同，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的驅動分配和電路的監控與保護。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、紋波小且電壓值穩定；由網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，從而實現了樣機的單位功率因數控制。
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，電壓外環和電流內環分別采用滑模控制和內模控制的控制方式。在此控制策略下進行了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、超調量小。當給定電壓發生突變時，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，且系統運行在單位功率因數下。實驗結果則更好地驗證了該控制策略的可行性。
參考文獻
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作者信息：
王賢東，邵如平，李 艷
(南京工業大學 電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816)