江 偉,吳榮華,袁 芳
(1.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013;2.安徽文達(dá)信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,合肥 231201;3.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部,廣東 江門 529020)
電力電子電路的理論研究落后于應(yīng)用研究,經(jīng)常是某電路已被廣泛應(yīng)用,?但它的理論模型還未徹底理解,由于該電路中有快速切換的開關(guān)器件,具有豐富的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為,比如次諧波振蕩、分岔、間歇和混沌等非線性現(xiàn)象[1-2]。逆變器是一種基本電力電子電路,廣泛應(yīng)用在不間斷電源、變頻調(diào)速和智能電網(wǎng)等工程領(lǐng)域,然而其屬于典型的非線性系統(tǒng),在實(shí)際的工程應(yīng)用中,不可避免地會(huì)出現(xiàn)一系列非線性動(dòng)力學(xué)行為,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,甚至崩潰[3]。因此,探索逆變器中的非線性動(dòng)力學(xué)行為是非常有價(jià)值的,它能幫助電力電子工程師采取措施提高逆變器的穩(wěn)定性,還能為逆變器制造商的電路設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。
過去研究電子電路中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為主要對(duì)象是DC-DC電路和PFC電路。近年來,對(duì)逆變器中的非線性行為研究已逐步開展,Robert等[4]首次分析了比例控制H橋逆變器中的非線性行為,發(fā)現(xiàn)DC-AC變換器中也存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為;王學(xué)梅等[5]以SPWM-H橋逆變器為研究對(duì)象,詳細(xì)分析了該系統(tǒng)中的快變與慢變不穩(wěn)現(xiàn)象及非線性行為;張金科等[6]基于分岔混沌理論,分析了開關(guān)頻率對(duì)SPWM-H橋逆變器的影響;陶彩霞等[7]研究了準(zhǔn)比例諧振調(diào)節(jié)下三相LCL型并網(wǎng)逆變器在快時(shí)間尺度上的動(dòng)力學(xué)行為。但上述文獻(xiàn)都只探索了線性控制H橋逆變器的穩(wěn)定性與非線性現(xiàn)象。
滑模控制是一種典型的非線性控制方式,在一定工作范圍內(nèi),具有良好的魯棒性、自適應(yīng)性及動(dòng)態(tài)特性等特點(diǎn),能有效提高非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性能,因而,在逆變器系統(tǒng)的控制中得到應(yīng)用[8-9]。由于滑??刂浦写嬖诙墩駟栴},抖振過大會(huì)使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定,已有研究表明,趨近律方法能有效削弱滑??刂浦械亩墩穹萚10]。
本文采用改進(jìn)指數(shù)趨近律減弱抖振現(xiàn)象,此方法使滑模運(yùn)動(dòng)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì),目前,改進(jìn)指數(shù)趨近律的滑??刂品绞皆陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域已有一定的應(yīng)用,并取得了優(yōu)秀的控制效果。因此,將改進(jìn)指數(shù)趨近律的控制方式引入到逆變器的滑模控制中有廣闊的應(yīng)用前景。然而,滑??刂频腍橋逆變器是一種典型的非線性控制的時(shí)變系統(tǒng),存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為。
鑒于此,以改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器為研究對(duì)象。分析該系統(tǒng)的運(yùn)行過程及狀態(tài),建立其離散模型。通過分岔圖和折疊圖分析隨不同控制參數(shù)k1與k2變化系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為的演化過程。運(yùn)用快變穩(wěn)定性定理對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能進(jìn)行理論分析。進(jìn)一步觀察輸入電壓E、負(fù)載電阻R和電感L等外部電路參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響,為改進(jìn)滑模控制的H橋逆變器的設(shè)計(jì)提供可靠的理論指導(dǎo),具有一定的理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。
改進(jìn)指數(shù)趨近律滑模控制的H橋逆變器如圖1所示,該系統(tǒng)電路由主電路和控制電路組成,主電路包含直流電壓源E、開關(guān)管D1~D4、感性負(fù)載R和L??刂齐娐分?,把參考電流iref和負(fù)載電流i的比較結(jié)果輸入到改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂破髦?,得到的控制變量u再通過PWM驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。
圖1 H橋逆變器原理圖Fig.1 H-bridge inverter
滑模控制是不連續(xù)的,一定會(huì)產(chǎn)生抖振,從而引發(fā)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。研究表明,通過改進(jìn)指數(shù)趨近律可以削弱抖振,其控制變量u可表示為
u=k1e+k2e2sgn(e),k1>0,k2>0
(1)
其中,e=iref-i。
由圖1可知,該逆變器系統(tǒng)有2種狀態(tài),D1、D4導(dǎo)通,D2、D3截止,此為工作狀態(tài)1,負(fù)載電流上升;D2、D3導(dǎo)通,D1、D4截止,此為工作狀態(tài)2,負(fù)載電流下降。取負(fù)載電流i作為狀態(tài)變量,則兩種狀態(tài)的模態(tài)方程分別如式(2)和(3)所示。
(2)
(3)
式中:i是負(fù)載電流;v是負(fù)載電壓。
通過改進(jìn)指數(shù)趨近律滑模控制器的調(diào)節(jié),逆變器會(huì)在2種模態(tài)之間來回切換,由于利用PWM驅(qū)動(dòng)電路控制,一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)只切換一次。工作波形如圖2所示,TS=1/fS表示控制器的開關(guān)周期,fS是開關(guān)頻率,tn表示在第n個(gè)開關(guān)周期內(nèi)狀態(tài)1運(yùn)行的時(shí)間,TS-tn表示在第n個(gè)開關(guān)周期內(nèi)狀態(tài)2運(yùn)行的時(shí)間,則第n個(gè)開關(guān)周期狀態(tài)1的占空比為dn=tn/TS。取參考電流為正弦波(iref=Asin(2πft),且f?fS),逆變器處于正弦逆變狀態(tài)。
圖2 負(fù)載電流工作波形Fig.2 Load current operating waveforms
為研究逆變器系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為,運(yùn)用頻閃映射的方法建立系統(tǒng)的離散模型,其核心思想是以開關(guān)周期TS作為頻閃采樣的時(shí)間間隔,用狀態(tài)變量在第n個(gè)開關(guān)周期的采樣值來表示該變量在第n+1個(gè)開關(guān)周期的采樣值。根據(jù)式(2)和(3),可建立改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器的迭代方程
(4)
式中:a=E/R;τ=L/R;in、in+1分別為負(fù)載電流i在采樣時(shí)刻nTS和(n+1)TS值。
通過對(duì)改進(jìn)指數(shù)趨近律滑模控制的H橋逆變器工作原理的分析,并結(jié)合占空比的有界性,dn為
(5)
其中,δ是第n個(gè)開關(guān)周期起始時(shí)刻參考電流采樣值iref,n與負(fù)載電流采樣值in之間的差值,則
δ=iref,n-in
(6)
iref,n=Asin(2πfnTS)
(7)
因此,式(4)和(5)構(gòu)成了該逆變器系統(tǒng)的離散模型。
建立改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器系統(tǒng)的離散模型,電路參數(shù)設(shè)置為:E=160 V,R=10 Ω,L=3 mH,fS=30 kHz,iref=5sin(40πt),即f=20 Hz。通過分岔圖和折疊圖等方法分析該系統(tǒng)隨控制參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的非線性動(dòng)力學(xué)行為。
分岔圖可以有效觀察系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為,它不僅能呈現(xiàn)出系統(tǒng)非線性動(dòng)力行為的演化過程,還能分析出系統(tǒng)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界點(diǎn)。
固定k1=0.25,取k2為分岔參數(shù),繪制系統(tǒng)隨控制參數(shù)k2變化時(shí)不同位置采樣的分岔圖,如圖3所示。
圖3(a)給出了系統(tǒng)在輸出波形峰值附近采樣的分岔圖,由此圖可知,當(dāng)0≤k2≤0.12時(shí),分岔圖呈現(xiàn)出穩(wěn)定單一的曲線,系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的單周期狀態(tài);當(dāng)0.12 (a) 峰值附近采樣 圖3(b)給出了系統(tǒng)在輸出波形谷值附近采樣的分岔圖,由此圖可知,當(dāng)0≤k2≤0.19時(shí),分岔圖呈現(xiàn)出單一曲線,系統(tǒng)處于穩(wěn)定的周期1狀態(tài);當(dāng)0.19 通過分析圖3可得結(jié)論:固定k1=0.25,隨控制參數(shù)k2由0增大到2的過程中,改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器由穩(wěn)定單周期工作狀態(tài)演變?yōu)橐环N特殊分岔狀態(tài),即多種倍數(shù)周期同時(shí)存在的狀態(tài)。 固定k2=0.4,取k1為分岔參數(shù),繪制系統(tǒng)隨控制參數(shù)k1變化在不同位置采樣的分岔圖,如圖4所示。 (a) 峰值附近采樣 圖4(a)給出了系統(tǒng)在輸出波形峰值附近采樣的分岔圖,由此圖可知,當(dāng)0≤k1≤0.38時(shí),分岔圖呈現(xiàn)出2條曲線,系統(tǒng)工作在周期2狀態(tài);當(dāng)0.38 圖4(b)給出了系統(tǒng)在輸出波形谷值附近采樣的分岔圖,由此圖可知,當(dāng)0≤k1≤0.08時(shí),分岔圖呈現(xiàn)出周期4窗口,系統(tǒng)工作在周期4狀態(tài);當(dāng)0.08 通過分析圖4可得結(jié)論:固定k2=0.4,隨控制參數(shù)k1由0增大到2的過程中,改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器由多周期同時(shí)存在的特殊分岔狀態(tài)演化為混沌狀態(tài),系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)行為。 折疊圖可以直觀反映出系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為,其繪制方法如下:選取任意初值代入系統(tǒng)的離散模型進(jìn)行迭代,對(duì)每個(gè)正弦周期采樣M個(gè)點(diǎn)(M=fS/f=1 500),將穩(wěn)定后的數(shù)個(gè)正弦周期按采樣時(shí)刻對(duì)齊后折疊。圖5給出當(dāng)k1=0.25時(shí),k2分別取0.05、0.15、0.25、0.4、0.53和0.65時(shí),該系統(tǒng)的折疊圖。 (a) k2=0.05 由圖5(a)可知,當(dāng)k2=0.05時(shí),從波峰到波谷的過程中,折疊圖表現(xiàn)出一條光滑、穩(wěn)定的正弦曲線,系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的周期1狀態(tài)。 由圖5(b)可知,當(dāng)k2=0.15時(shí),折疊圖在波峰附近表現(xiàn)出兩條曲線,系統(tǒng)在此處于倍周期分岔狀態(tài),在波谷附近表現(xiàn)出一條曲線,系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的單周期狀態(tài)。 由圖5(c)可知,當(dāng)k2=0.25時(shí),折疊圖在波峰和波谷附近都表現(xiàn)出兩條曲線,系統(tǒng)工作在周期2狀態(tài)。 由圖5(d)可知,當(dāng)k2=0.4時(shí),折疊圖在波峰附近表現(xiàn)出兩條曲線,系統(tǒng)工作在倍周期分岔狀態(tài),在波谷附近表現(xiàn)出采樣點(diǎn)密集填充一定區(qū)域,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài)。 由圖5(e)可知,當(dāng)k2=0.53時(shí),折疊圖在波峰附近表現(xiàn)出兩條混沌帶,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài),在波谷附近表現(xiàn)出被采樣點(diǎn)雜亂無章填充,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài)。 由圖5(f)可知,當(dāng)k2=0.65時(shí),折疊圖在波峰附近表現(xiàn)出采樣點(diǎn)雜亂無章填充一定區(qū)域,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài),在波谷附近呈現(xiàn)三條曲線,系統(tǒng)工作在周期3狀態(tài),折疊圖在其它區(qū)域還表明系統(tǒng)會(huì)工作在周期2和周期4狀態(tài)。 研究表明,圖5折疊圖分析的結(jié)論與圖3分岔圖所分析的結(jié)論是一致的,固定控制參數(shù)k1,改變控制參數(shù)k2的取值,系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)行為。 當(dāng)固定k2=0.4,分別取控制參數(shù)k1為0.05、0.2、0.44、0.55、0.65和1.5,繪制出該系統(tǒng)的折疊圖,如圖6所示。 (a) k1=0.05 由圖6(a)可知,當(dāng)k1=0.05時(shí),折疊圖在波峰附近表現(xiàn)出兩條曲線,系統(tǒng)工作在周期2狀態(tài),在波谷附近的局部放大圖,可以看出是四條曲線,系統(tǒng)工作在周期4狀態(tài)。 由圖6(b)可知,當(dāng)k1=0.2時(shí),折疊圖在波峰附近表現(xiàn)出兩條曲線,系統(tǒng)工作在周期2狀態(tài),在波谷附近表現(xiàn)出被采樣點(diǎn)密集填充,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài)。 由圖6(c)可知,當(dāng)k1=0.44時(shí),折疊圖在波峰和波谷附近都表現(xiàn)出采樣點(diǎn)密集填充某一區(qū)域,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài)。 由圖6(d)可知,當(dāng)k1=0.55時(shí),折疊圖在波峰附近出現(xiàn)兩條混沌帶,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài),在波谷附近表現(xiàn)出采樣點(diǎn)密集填充一定區(qū)域,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài)。 由圖6(e)可知,當(dāng)k1=0.65時(shí),折疊圖在波峰附近出現(xiàn)兩條混沌帶,系統(tǒng)在此處于混沌狀態(tài),在波谷附近的局部放大圖,可以看出是六條曲線,系統(tǒng)工作在周期6狀態(tài)。 由圖6(f)可知,當(dāng)k1=1.5時(shí),折疊圖在波峰和波谷附近都表現(xiàn)出采樣點(diǎn)雜亂無章填充一定區(qū)域,系統(tǒng)工作在混沌狀態(tài)。 研究表明,圖6折疊圖分析的結(jié)論與圖4分岔圖所分析的結(jié)論是一致的,固定控制參數(shù)k2,改變控制參數(shù)k1的取值,系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)行為。 對(duì)H橋逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析,通常采用Jacobian矩陣法和Lyapunov指數(shù)法,這兩種方法均需要對(duì)系統(tǒng)迭代方程求導(dǎo)。然而,改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂艸橋逆變器系統(tǒng)的離散模型具有不可導(dǎo)部分,因此,上述兩種方法已無法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為更加深入對(duì)改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂艸橋逆變器的非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行理論分析,并且進(jìn)一步驗(yàn)證分岔圖和折疊圖分析所得結(jié)論的一致性。因此,采用快變穩(wěn)定性定理分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性,此方法的核心思想是:取電流下降段過零點(diǎn)附近的M個(gè)開關(guān)周期,分別用每個(gè)開關(guān)周期的占空比和下一個(gè)開關(guān)周期的占空比作差再除以兩者差的絕對(duì)值,把計(jì)算出的M個(gè)數(shù)進(jìn)行累加即得到P[11]。P的計(jì)算公式如下 (8) 其中,dn、dn+1分別是第n和n+1個(gè)開關(guān)周期的占空比。當(dāng)P=M,系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)P 將式(5)代入式(8)可得改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器穩(wěn)定性的計(jì)算公式P為 P= (9) 其中,σn=iref,n-in;σn+1=iref,n+1-in+1。 取N0=1 839,M=25,其它參數(shù)保持不變,對(duì)式(9)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算,得到快變穩(wěn)定性定理判斷結(jié)果,如圖7所示。圖7(a)給出了當(dāng)k1=0.25時(shí),P關(guān)于k2的曲線圖,當(dāng)0≤k2≤0.12時(shí),P等于M,系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài),否則系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài),因此當(dāng)k1=0.25時(shí),k2=0.12是系統(tǒng)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的分界點(diǎn);圖7(b)給出了當(dāng)k2=0.4時(shí),P關(guān)于k1的曲線圖,可知k1值由0增加到2的過程中,P一直小于M,系統(tǒng)一直工作在不穩(wěn)定狀態(tài)。 (a) k1=0.25 研究表明,圖7理論分析所得結(jié)論與圖3和圖4分岔圖的分析結(jié)論完全相同,進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析結(jié)論是正確的,使得研究結(jié)論更具有說服力。 研究表明,改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器的穩(wěn)定性能不僅與控制器參數(shù)有關(guān),還與外部參數(shù)電壓E、電感L以及電阻R等外部參數(shù)有關(guān)。鑒于此,分別以輸入電壓E、負(fù)載電阻R和電感L為分岔參數(shù),繪制出該逆變器系統(tǒng)分別隨電路分岔參數(shù)變化的分岔圖,如圖8所示。 (a) 分岔參數(shù)為E 根據(jù)圖7對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析,可知當(dāng)k1=0.25時(shí),k2的穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)域?yàn)閇0,0.12],因此,當(dāng)k1=0.25,k2=0.1,其它參數(shù)固定不變。以輸入電壓E為分岔參數(shù),令此電路參數(shù)由50 V向450 V變化,步長(zhǎng)為1 V,在輸出波形峰值附近采樣負(fù)載電流值并保留采樣點(diǎn),繪制出隨輸入電壓E變化系統(tǒng)的分岔圖,如圖8(a)所示。隨輸入電壓E的增大,該逆變器系統(tǒng)的工作狀態(tài)由穩(wěn)定的單周期狀態(tài)演化到倍分岔周期狀態(tài),當(dāng)E=345 V時(shí),進(jìn)入混沌狀態(tài)。 根據(jù)圖8(a)分岔圖的分析,可得輸入電壓E的穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)域?yàn)閇0,170],因此,固定E=160 V,取電阻R=5~35 Ω,電感L=0~4 mH,保持其它參數(shù)不變,繪制分別隨電阻R和電感L變化系統(tǒng)的分岔圖。由圖8(b)可知,隨著電阻R增大該逆變器系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)行為。隨著電阻R的增加,該逆變器系統(tǒng)由穩(wěn)定的單周期狀態(tài)演變到周期3狀態(tài),不久突變進(jìn)入混沌狀態(tài),最后增加到23 Ω時(shí),出現(xiàn)倍周期分岔現(xiàn)象,進(jìn)入周期2狀態(tài)。圖8(c)給出了該逆變器系統(tǒng)隨電感L變化的分岔圖,由此圖可知,隨著電感L的增大,該系統(tǒng)工作狀態(tài)由倍周期分岔狀態(tài)演化到周期4狀態(tài),然后進(jìn)入混沌狀態(tài),隨后轉(zhuǎn)變到周期2狀態(tài),最后當(dāng)電感L等于2.5 mH時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的單周期狀態(tài),系統(tǒng)表現(xiàn)出非常豐富的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為。 通過分析圖8分岔圖可知,輸入電壓E、負(fù)載電阻R和電感L等外部參數(shù)的變化對(duì)改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。因此,為提升改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂颇孀兤飨到y(tǒng)的工作穩(wěn)定性,在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合理的電路參數(shù)。 研究表明,改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器中存在復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)行為。根據(jù)該系統(tǒng)的工作過程,得出系統(tǒng)在改進(jìn)指數(shù)趨近律滑模控制下的離散模型,運(yùn)用分岔圖與折疊圖分析在不同控制參數(shù)k1與k2變化下系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為的演變過程。然后,通過快變穩(wěn)定性定理分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)理論分析與分岔圖和折疊圖分析的結(jié)論完全一致。最后,采用分岔圖分析輸入電壓E、負(fù)載電阻R和電感L等外部電路參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響。研究結(jié)論表明,改進(jìn)指數(shù)趨近律滑模控制的H橋逆變器會(huì)產(chǎn)生豐富的動(dòng)力學(xué)行為,系統(tǒng)的穩(wěn)定性能不僅與控制參數(shù)k1與k2有關(guān),還與輸入電壓E、負(fù)載電阻R和電感L等外部電路參數(shù)有密切的關(guān)系。研究的結(jié)論對(duì)改進(jìn)指數(shù)趨近律滑??刂频腍橋逆變器的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試都具有一定的理論指導(dǎo)意義。2.2 折疊圖
3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
4 外部參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響
5 結(jié) 論