5.3.2 具有电流控制环的电流型逆变器
历史上三相交流的逆变器一直是以PWM控制为主，讨论如何减少谐波而产生完整的正弦波交流的方法。不过，在电流型逆变器上加控制环来对电流进行直接控制的方法是更有效的，应用场合也很多，例如电动机驱动或是有源滤波器（参考9.2.2节）。本节中以发生正弦电流为例说明电流控制环的方法。
1.滞环控制
电流为正弦波形的控制可以变为追踪时变正弦波指令值的控制，一般采用PI控制（比例积分控制）时很难达到目的。在此介绍滞环控制，即所谓Bang-Bang控制，图5.38所示为该控制框图。
首先，为控制电路输入三相电流指令值ia∗、ib∗和ic∗，将它们与实际电流的检测值ia、ib和ic分别进行比较，两者的差值超过一定幅值Δi时，对应逆变器桥路的开关器件变为0状态（正侧的开关器件为off），使得实际电流减少。两者的差值低于一定幅值Δi时，桥路的开关器件变为1状态，使得实际电流增加。上述动作由图5.38所示的滞环进行表示。该控制方法可以考虑为等价具有无穷大增益的比例控制，原理上控制偏差可以被限制在±Δi的幅值以内。随机的开关周期是该方法的缺点，Δi的幅值越小，开关周期越短，Δi过小可能会发生振荡。图5.39所示为该控制电路的仿真波形举例，为三相LR电路赋予电流值为12.25A（空间电流矢量幅值为15A）、角频率为50Hz的电流指令值，逆变器的直流输入电压为280V。
图5.38 滞环电流控制逆变器的构成框图
图5.39 滞环电流控制逆变器的输出电流电压波形
2.旋转坐标系下的控制
现在被广泛应用的电流控制法是采用空间矢量法在旋转坐标系上的控制方法。仿照式（5.8）的电压方程，三相交流电流用空间矢量表示如下：
另一方面，在以电源角速度ω进行旋转的d-q坐标系中，电流空间矢量i″则由式（5.55）表示，变为直流量的空间矢量，于是该电流控制为直流量的控制，所以变得格外容易。
图5.40a所示为上述的电流控制框图。在图左半部分的d-q旋转坐标系上执行电流控制，在图右半部分的a-b-c静止坐标系上完成逆变器的PWM控制。当然，实际电路也是在静止坐标系（在α-β坐标系上计算）上运行的。图5.40b和c所示分别为对应的旋转坐标和静止坐标中的等效电流源电路，从而根据这些来研究各个坐标系中的控制策略。
在实际装置中，旋转坐标控制系统的运算是逆变器功能的一部分，因此，逆变器内部的坐标变换是必不可少的过程，这是在计算机发达的时代开始使用微处理器来实现的技术。图5.41所示为d-q坐标上的电流控制波形，详细内容在下面的例5.9中进行说明。
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图5.40 基于空间坐标系的电流控制逆变器及其等效电路
例5.9
针对由电感为15mH、电阻为10Ω组成的三相LR电路，设电流指令值是电流空间矢量幅值为15A、频率为50Hz、相位角为0°，且开关频率比为18倍，直流电压为280V的电流环控制逆变器，请在d-q坐标系上采用空间矢量控制法对逆变器的动作进行仿真。
解 仿真波形如图5.41所示。图a所示为d-q坐标轴的电流，尽管采样中含有谐波电流，但它们基本与指令值一致。图b所示为a-b-c坐标轴的电流，对其进行α-β坐标变换时可得如图c所示大体上近于圆形的轨迹。图d所示为用调制波表示的逆变器三相输出电压，反映了中心移动操作的结果。
下面针对上述仿真进行详细说明。
（1）三角载波和控制信号波形的发生
实际逆变器中根据实用空间矢量法产生输出电压（详细内容请参考例5.7），并进行电流控制。其中，产生输出电压矢量对应的调制波，它与三角载波比较后得到控制信号波形。图5.42a所示为9200～10400个计算步长的3个周期的三角载波以及在此期间的三相调制波形。调制波在每半个载波周期进行数值设定，图5.42b所示为载波和调制波比较后得到的三相输出电压控制信号波形以及b相和c相的电流波形ib和ic。在三角载波的波峰时刻和波谷时刻进行电流采样，分别用○和◇符号表示。根据相关研究结论，若在上述时刻进行电流采样，则几乎可以得到该电流的平均值（采样时刻前后半个周期的平均值）。
图5.41 基于仿真的电流控制逆变器内部的各种电流电压波形计算的单位步长是400×50×18=36000分之一秒）
（2）电流采样、电压运算和定时输出
实际控制中，从电流采样值获得的时刻起开始进行控制环的运算。算出的逆变器输出电压空间矢量对应的调制电压在接下来的半个周期的起始点进行输出，将它与升降计数器的值进行比较。输出电压空间矢量位于d-q坐标系，而调制电压是a-b-c坐标系的值，所以在两者间变换时有必要给出对静止坐标进行d-q坐标变换的相位角，而后面半个周期中点时间对应的角度就是该空间矢量的相位角。例如，根据在9400步长点上采样的电流值进行运算，算出所需的电压矢量，该电压在9600步长时刻由逆变器的开关器件控制单元输出，运算用的空间电压矢量的相位角是对应于9700步长时刻的。本仿真是以模仿实际控制而进行的。另外，由空间矢量运算的调制电压有必要进行在实用空间矢量法中说明的中心移动操作，图5.41d所示为调制电压进行中心移动操作的结果。
图5.42 逆变器输出电压波形和b相PWM控制电压方波中值输出时刻（●） 以及b相和c相的实际电流及其电流采样时刻（○和◇）
（3）实际电流的计算、电流采样及其控制运算
a-b-c坐标中产生的控制信号用来控制逆变器的开关器件，当理想情况时，会从逆变器输出与控制信号同样的波形且幅值为±140V的PWM波。若用这种电压进行实际电流计算，则电流的环路将变为两个，计算很复杂。在这里，将a-b-c坐标系的逆变电压再一次变换到α-β坐标系，然后进行电流计算，之后再返回到a-b-c坐标系得到计算的实际电流，这样计算过程比较简单。
电流之间满足ia+ib+ic=0条件，若采样ib和ic，就可以计算d-q轴电流的空间矢量，计算出来的电流空间矢量的d轴和q轴分量分别与给定的电流指令分量相比，并进行PI控制运算，运算结果是d-q轴上的电压空间矢量指令值，然后按照前述的那样将其变换为a-b-c轴上的调制电压。