一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法

摘要：提出了一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法，该方法在滞环电流控制的基础上，引入频率反馈控制，使开关频率基本固定，解决了目前广泛使用的固定频率电流控制方法具有的次谐波振荡的问题，并且具有稳定性好、响应速度快、控制精度高的优点。对现有的固定频率电流模式控制方法和所提出的准固定频率PWM电流控制方法的原理和闭环响应进行了分析，并通过实验证实了分析的正确性。关键词：滞环；准固定频率；电流模式控制

1概述

电力电子装置的作用是对电能进行高效、精确、快速地转换和调节，因此控制技术在其中扮演着重要的角色。对电力电子装置中的自动控制系统的要求有： 1)稳定性好很多用电设备和电路的稳定性和可靠性通常决定于为其供电的电力电子装置，因此对其稳定性的要求更为严格。另外，电力电子器件抵抗过电压和过电流的能力较传统的电磁式电气元件差，因此更要求其控制系统在各种工作状况下均能保持稳定，具有较大的稳定裕量，以免在工作中发生振荡时，使电力电子器件的电压和电流超出安全工作区造成损坏。

2)稳态精度高电力电子装置经常给各种精密的电子装置和设备供电，要求的供电精度非常高，通常稳压和稳流精度需要达到0.5～0.1％，有的甚至高达1×10－4或1×10－5。

3)快速性好电气系统的时间常数比常规的机电系统短得多，而且电力电子装置经常需要对电压和电流波形等进行跟踪控制，因此对其控制系统的快速性要求很高。

在电力电子装置中，为了达到高效变换的目的，器件通常都工作在开关状态，因此普遍采用PWM开关控制方法，与线性电源中所采用的调整管的控制方式相比，PWM开关控制是非线性时变的，这给控制系统的分析和设计带来了很大的困难。通常采用状态空间平均法[1]消除系统的时变特性，然后采用微扰法[2]，将系统在工作点附近局部线性化，得到近

一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法

(a)电压模式控制系统

图1电压模式控制和电流模式控制的比较

（b)电流模式控制系统

似的线性定常系统，便可以用已有的方法进行分析，如频域法等。

传统的单变量反馈控制很难同时达到稳定性和快速性的要求，因此控制系统经常采用多变量状态反馈的结构，并引入前馈来提高性能，其中最典型的就是电流模式控制。采用电流模式控制后，可以收到以下良好的效果：

1)系统的稳定性增强，稳定域扩大。

2)系统动态特性改善，响应速度加快。

3)具有快速限制电流的能力，可以达到保护器件的目的。

通常用的电流模式控制方法可以分成峰值电流模式控制[2]、平均值电流模式控制[3]及电荷模式控制[4]等。然而目前已有的几种电流模式控制方法都存在次谐波振荡的问题，影响了稳定性的提高，虽然有一些解决办法，但都是以牺牲快速性和稳态精度为代价的。

本文从滞环PWM控制方法出发，提出一种准固定频率滞环PWM电流控制方法，该方法在滞环电流控制电路中引入频率反馈，解决了滞环PWM控制开关频率大范围变化造成滤波器设计困难的问题，并且在稳定性、快速性和稳态精度等方面均达到或超过现有的几种固定频率电流模式控制方法。本文对该控制方法进行了深入的分析和阐述，并通过实验证实了其优越的性能。

2电压模式控制和电流模式控制

目前，开关电源的控制方式有电压模式控制和电流模式控制两类。其基本结构如图1所示，图1（a）为电压模式控制系统的结构，图1（b）为电流模式控制系统的结构。图中VR为电压调节器，CR为电流调节器，PWM为PWM调制环节，画有开关的环节为开关电路，LC电路是主电路中的滤波环节，RL是负载。

采用电压模式控制的开关电源控制系统仅有单一的电压控制环，该系统有一对高Q值的开环共扼极点，在开环频率特性曲线上表现为一个很高的谐振峰，使系统倾向于振荡。为了消除该共扼极点对系统稳定性造成的不利影响，通常电压调节器采用PI或PID对系统开环频率特性进行校正，而这种校正方法压低了系统低频段的增益，使系统响应速度变慢，动态特性变差。

电流模式控制方法在系统中引入电流反馈，以改造系统的开环频率特性，使其变得更加容易校正。通常，采用电流模式控制后，电压环的开环传递函数中不再有共扼极点，其频率特性曲线也没有高的谐振峰，因此电压环的校正变得较为容易，可以选取较高的开环增益，从而提高系统的动态特性，同时保持很好的稳定性。

然而电流模式控制也有其固有的缺点，就是次谐波振荡问题。