第7章電力電子控制

1、Power Electronics第七章第七章 電力電子控制電力電子控制v 7.1 7.1 概述概述v 7.2 7.2 電力電子變換的理論基礎(chǔ)電力電子變換的理論基礎(chǔ) v 7.37.3 電壓與電流的閉環(huán)控制電壓與電流的閉環(huán)控制 v 7.47.4 數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng) Power Electronics7.1 7.1 概述概述v在電力系統(tǒng)中，公用電網(wǎng)提供的電源是頻率固定的某一在電力系統(tǒng)中，公用電網(wǎng)提供的電源是頻率固定的某一標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的單相或三相交流電源，而用電設(shè)備要求將發(fā)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的單相或三相交流電源，而用電設(shè)備要求將發(fā)電廠生產(chǎn)的單一頻率和電壓的電能變換為最佳工作情況電廠生產(chǎn)的單一頻率和電壓的電能

2、變換為最佳工作情況所需要的另一種特性和參數(shù)所需要的另一種特性和參數(shù)( (頻率、電壓、相位和波形頻率、電壓、相位和波形) )的電能。的電能。v采用電力電子變換裝置，可以采用電力電子變換裝置，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率、不同電壓實(shí)現(xiàn)不同頻率、不同電壓等級(jí)電能之間的相互變換等級(jí)電能之間的相互變換。v首先要根據(jù)選擇的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立其開(kāi)關(guān)器件乃至整首先要根據(jù)選擇的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立其開(kāi)關(guān)器件乃至整個(gè)系統(tǒng)的個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)數(shù)學(xué)模型提出，然后再根據(jù)數(shù)學(xué)模型提出電壓的控電壓的控制策略制策略，之后再根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)，之后再根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)控制算法控制算法，最后控制，最后控制算法要算法要通過(guò)模擬控制系統(tǒng)

3、或者數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)模擬控制系統(tǒng)或者數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。v包含了建模分析方法、電壓電流控制策略的電力電子控包含了建模分析方法、電壓電流控制策略的電力電子控制技術(shù)是決定電力電子變換裝置工作性能的關(guān)鍵因素。制技術(shù)是決定電力電子變換裝置工作性能的關(guān)鍵因素。 Power Electronics7.2 7.2 電力電子變換的理論基礎(chǔ)電力電子變換的理論基礎(chǔ)v 7.2.1 7.2.1 開(kāi)關(guān)函數(shù)及其應(yīng)用開(kāi)關(guān)函數(shù)及其應(yīng)用v 7.2.2 7.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換v 7.2.3 7.2.3 狀態(tài)空間平均法狀態(tài)空間平均法v 7.2.4 7.2.4 頻域模型頻域模型Power Electronics7.2.1 7

4、.2.1 開(kāi)關(guān)函數(shù)及其應(yīng)用開(kāi)關(guān)函數(shù)及其應(yīng)用v 利用全控型電力電子器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作構(gòu)成的電力電子利用全控型電力電子器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作構(gòu)成的電力電子變換電路中，常常用變換電路中，常常用1 1、0 0表示開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，表示開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，也即用開(kāi)關(guān)函數(shù)表示開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其定義為也即用開(kāi)關(guān)函數(shù)表示開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其定義為 v 開(kāi)關(guān)函數(shù)是時(shí)間值的離散函數(shù)，可以用來(lái)表示對(duì)電力開(kāi)關(guān)函數(shù)是時(shí)間值的離散函數(shù)，可以用來(lái)表示對(duì)電力電子變換電路的控制。下圖給出了一個(gè)典型的周期性電子變換電路的控制。下圖給出了一個(gè)典型的周期性開(kāi)關(guān)函數(shù)，開(kāi)關(guān)函數(shù)，T T表示其周期。表示其周期。1( ) t，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)0，開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)Power

5、 Electronicsv一個(gè)通用的開(kāi)關(guān)函數(shù)可用下面三個(gè)參數(shù)來(lái)表征：一個(gè)通用的開(kāi)關(guān)函數(shù)可用下面三個(gè)參數(shù)來(lái)表征： v占空比占空比d d：指在一個(gè)周期里開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間占整個(gè)周期時(shí)間：指在一個(gè)周期里開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間占整個(gè)周期時(shí)間的比值。一般來(lái)說(shuō)占空比是可以調(diào)節(jié)的，以便達(dá)到所期望的比值。一般來(lái)說(shuō)占空比是可以調(diào)節(jié)的，以便達(dá)到所期望的控制目的，這個(gè)過(guò)程叫做脈寬調(diào)制（的控制目的，這個(gè)過(guò)程叫做脈寬調(diào)制（PWMPWM），它是電），它是電力變換器控制的最重要的一種手段，常用來(lái)控制輸出電壓；力變換器控制的最重要的一種手段，常用來(lái)控制輸出電壓；v開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率f=1/Tf=1/T：在一般情況下，為降低開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)：在一

6、般情況下，為降低開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率通常設(shè)置為固定不變的；頻率通常設(shè)置為固定不變的；v時(shí)間延遲時(shí)間延遲 或相位控制角或相位控制角 ：一般用于基于半控型器件：一般用于基于半控型器件的相控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)相位控制角控制直流輸出電壓。的相控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)相位控制角控制直流輸出電壓。幾種特殊的幾種特殊的AC-ACAC-AC變換器也使用相位調(diào)節(jié)技術(shù)。變換器也使用相位調(diào)節(jié)技術(shù)。1. 1.改變上述三個(gè)參數(shù)，就可以得到與其相對(duì)應(yīng)的控制電力電子電改變上述三個(gè)參數(shù)，就可以得到與其相對(duì)應(yīng)的控制電力電子電路的幾種方法。路的幾種方法。0t0tPower Electronicsv在在DC-DCDC-DC變換電路和變換電路

7、和DC-ACDC-AC變換電路中，經(jīng)常利用變換電路中，經(jīng)常利用調(diào)調(diào)節(jié)占空比節(jié)占空比（PWMPWM）來(lái)改變它們的輸出特性；）來(lái)改變它們的輸出特性；v在可控整流應(yīng)用中，通常使用在可控整流應(yīng)用中，通常使用相位控制相位控制技術(shù)；技術(shù)；v第第6 6章介紹過(guò)的空間電壓矢量章介紹過(guò)的空間電壓矢量PWMPWM是開(kāi)關(guān)函數(shù)的一個(gè)是開(kāi)關(guān)函數(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，其中的開(kāi)關(guān)函數(shù)通過(guò)典型應(yīng)用，其中的開(kāi)關(guān)函數(shù)通過(guò)固定的開(kāi)關(guān)頻率固定的開(kāi)關(guān)頻率限制限制了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率，而通過(guò)每個(gè)周期內(nèi)根據(jù)空間了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率，而通過(guò)每個(gè)周期內(nèi)根據(jù)空間電壓矢量方法計(jì)算出的各相橋臂電壓矢量方法計(jì)算出的各相橋臂占空比占空比調(diào)節(jié)輸出電壓調(diào)節(jié)輸出電

8、壓矢量的幅值和大小。矢量的幅值和大小。Power Electronicsv開(kāi)關(guān)函數(shù)是描述電力電子變換裝置工作狀態(tài)的一種強(qiáng)有力開(kāi)關(guān)函數(shù)是描述電力電子變換裝置工作狀態(tài)的一種強(qiáng)有力工具，同時(shí)我們還可以從中得到一些廣泛使用的控制方法。工具，同時(shí)我們還可以從中得到一些廣泛使用的控制方法。下面以一個(gè)下面以一個(gè)BoostBoost斬波電路來(lái)分析其實(shí)用性。斬波電路來(lái)分析其實(shí)用性。v在下圖所示的在下圖所示的BoostBoost斬波電路中，電路的電流通道取決于斬波電路中，電路的電流通道取決于給定時(shí)刻系統(tǒng)中兩個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，因此它的回路電壓方程給定時(shí)刻系統(tǒng)中兩個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，因此它的回路電壓方程和節(jié)點(diǎn)電流方程也取決于在

9、給定時(shí)刻系統(tǒng)中兩個(gè)開(kāi)關(guān)的狀和節(jié)點(diǎn)電流方程也取決于在給定時(shí)刻系統(tǒng)中兩個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。兩種電路結(jié)構(gòu)都有對(duì)應(yīng)的方程，且開(kāi)關(guān)函數(shù)是可以組態(tài)。兩種電路結(jié)構(gòu)都有對(duì)應(yīng)的方程，且開(kāi)關(guān)函數(shù)是可以組合的。合的。Power Electronicsv用指定開(kāi)關(guān)函數(shù)用指定開(kāi)關(guān)函數(shù) 和和 分別來(lái)代表兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件分別來(lái)代表兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件 和和 ，在，在BoostBoost斬波電路中開(kāi)關(guān)是交替工作的，且斬波電路中開(kāi)關(guān)是交替工作的，且開(kāi)開(kāi) 關(guān)函數(shù)的值只能是關(guān)函數(shù)的值只能是0 0或或1 1，因此有，因此有 。1( )St2( )St1S2S12( )( )1SStt(71)v考慮考慮 的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可以將電路中電感電路以

10、將電路中電感電路的電壓方程和電容電的電壓方程和電容電路的電壓方程描述為：路的電壓方程描述為： 1S11()0()0LSinccSdiVLdtdvvCdtR(72)v考慮考慮 的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可以將電路中電感電路以將電路中電感電路的電壓方程和電容電的電壓方程和電容電路的電壓方程描述為：路的電壓方程描述為： 2S(73)2222()()LSinScccSSLdiVLvdtdvvCidtRPower Electronicsv將（將（7-17-1）代入（）代入（7-27-2）、（）、（7-37-3），并加以歸并，可得），并加以歸并，可得 v這個(gè)合并的方程式比原始方程更加簡(jiǎn)單，且更容易分這個(gè)合

11、并的方程式比原始方程更加簡(jiǎn)單，且更容易分析。析。v如果系統(tǒng)采用固定開(kāi)關(guān)頻率的如果系統(tǒng)采用固定開(kāi)關(guān)頻率的PWMPWM控制，在一個(gè)開(kāi)控制，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)函數(shù)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)函數(shù) 和和 的作用時(shí)間可以直接的作用時(shí)間可以直接用占空比用占空比D D來(lái)描述，因此我們常常用占空比來(lái)描述，因此我們常常用占空比D D這個(gè)參這個(gè)參數(shù)來(lái)表示開(kāi)關(guān)函數(shù)的離散時(shí)間作用效果，具體方法在數(shù)來(lái)表示開(kāi)關(guān)函數(shù)的離散時(shí)間作用效果，具體方法在后面狀態(tài)空間平均法中將作進(jìn)一步介紹后面狀態(tài)空間平均法中將作進(jìn)一步介紹 。1( )St2( )St22LinScccSLdiVLvdtdvvCidtRPower Electronics7.2.

12、2 7.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換v 在電力電子變換技術(shù)最常用的應(yīng)用領(lǐng)域，控制目標(biāo)往往是在電力電子變換技術(shù)最常用的應(yīng)用領(lǐng)域，控制目標(biāo)往往是三相或多相交流電壓、電流量。直接對(duì)交流量進(jìn)行控制非三相或多相交流電壓、電流量。直接對(duì)交流量進(jìn)行控制非常困難。通過(guò)坐標(biāo)變換可以對(duì)這些變量常困難。通過(guò)坐標(biāo)變換可以對(duì)這些變量進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于理進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于理解和控制解和控制。v 從數(shù)學(xué)分析角度來(lái)看，坐標(biāo)變換可以看作從數(shù)學(xué)分析角度來(lái)看，坐標(biāo)變換可以看作被控制系統(tǒng)一組被控制系統(tǒng)一組變量構(gòu)成的矢量在不同線性空間坐標(biāo)系上的表示變量構(gòu)成的矢量在不同線性空間坐標(biāo)系上的表示。在不同。在不同線性空間，各個(gè)變量之間的耦合性有很大的差異

13、，從而使線性空間，各個(gè)變量之間的耦合性有很大的差異，從而使得在不同坐標(biāo)系下系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜程度也大不相同。得在不同坐標(biāo)系下系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜程度也大不相同。 目的：找到使控制目標(biāo)表示得更為簡(jiǎn)單的坐標(biāo)系目的：找到使控制目標(biāo)表示得更為簡(jiǎn)單的坐標(biāo)系 下面以交流異步電機(jī)為具體控制對(duì)象對(duì)坐標(biāo)變換進(jìn)行介紹下面以交流異步電機(jī)為具體控制對(duì)象對(duì)坐標(biāo)變換進(jìn)行介紹 Power Electronicsv 交流電機(jī)可以看作二次繞組運(yùn)動(dòng)的變壓器，交流電機(jī)可以看作二次繞組運(yùn)動(dòng)的變壓器，定、轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合系數(shù)是隨轉(zhuǎn)子位置定、轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合系數(shù)是隨轉(zhuǎn)子位置角角 連續(xù)變化的。異步電機(jī)定子各相繞組之間、連續(xù)變化的。異步電

14、機(jī)定子各相繞組之間、轉(zhuǎn)子各相繞組之間以及定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子各相繞組之間以及定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。之間的耦合關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。v 在三相靜止坐標(biāo)系下，電機(jī)模型被描述為有在三相靜止坐標(biāo)系下，電機(jī)模型被描述為有時(shí)變互感的非常復(fù)雜的微分方程組。因此，時(shí)變互感的非常復(fù)雜的微分方程組。因此，對(duì)交流電機(jī)模型直接進(jìn)行分析、求解和運(yùn)用對(duì)交流電機(jī)模型直接進(jìn)行分析、求解和運(yùn)用是非常困難的。是非常困難的。rPower Electronicsv 2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代，年代，ParkPark提出了電機(jī)分析的新理論。他提出了電機(jī)分析的新理論。他將電機(jī)定子上的變量（電壓、電流、磁鏈）轉(zhuǎn)換到將電機(jī)定

15、子上的變量（電壓、電流、磁鏈）轉(zhuǎn)換到與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸上，所有由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸上，所有由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)變電感都被消除了。生的時(shí)變電感都被消除了。v 后來(lái)人們進(jìn)一步證明，定、轉(zhuǎn)子的變量只要轉(zhuǎn)換到后來(lái)人們進(jìn)一步證明，定、轉(zhuǎn)子的變量只要轉(zhuǎn)換到任意速度的同一個(gè)參考軸上，都可以消除時(shí)變電感。任意速度的同一個(gè)參考軸上，都可以消除時(shí)變電感。這也是對(duì)交流電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型這也是對(duì)交流電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的主要思路。進(jìn)行簡(jiǎn)化的主要思路。v 選擇變換時(shí)應(yīng)遵循一定的物理原則。在這里我們遵選擇變換時(shí)應(yīng)遵循一定的物理原則。在這里我們遵循的最主要原則是循的最主

16、要原則是磁勢(shì)等效原則，即坐標(biāo)變換前后，磁勢(shì)等效原則，即坐標(biāo)變換前后，合成的氣隙磁場(chǎng)保持不變合成的氣隙磁場(chǎng)保持不變。依據(jù)這一原則發(fā)展出多。依據(jù)這一原則發(fā)展出多種坐標(biāo)變換，下面我們介紹其中應(yīng)用得比較多的兩種坐標(biāo)變換，下面我們介紹其中應(yīng)用得比較多的兩種種 變換和變換和dqdq變換。變換。Power Electronicsv 1 1、 變換變換v以電機(jī)繞組的相電流為例分析坐標(biāo)以電機(jī)繞組的相電流為例分析坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式。變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式。v根據(jù)根據(jù)磁勢(shì)等效原則磁勢(shì)等效原則，約定變換前后，約定變換前后兩個(gè)坐標(biāo)系下電流合成的磁動(dòng)勢(shì)相兩個(gè)坐標(biāo)系下電流合成的磁動(dòng)勢(shì)相等等。v設(shè)三相電機(jī)的每相繞組匝數(shù)為設(shè)三相電

17、機(jī)的每相繞組匝數(shù)為 ，變換后兩相電機(jī)的每相繞組匝數(shù)變換后兩相電機(jī)的每相繞組匝數(shù)為為 ，可得，可得 v 變換是變換是a a、b b、c c對(duì)稱對(duì)稱三相坐標(biāo)系與正交兩相三相坐標(biāo)系與正交兩相坐標(biāo)系之間的變換。同坐標(biāo)系之間的變換。同a a、b b、c c坐標(biāo)系一樣，坐標(biāo)系一樣， 坐標(biāo)坐標(biāo)系也是靜止的。系也是靜止的。v如上圖所示，設(shè)如上圖所示，設(shè) 軸與軸與a a相重合，相重合， 軸領(lǐng)先軸領(lǐng)先 軸軸 。903N2N232324(coscos)3324( sinsin)33abcbcN iN iiiN iN iiPower Electronicsv 將上式寫(xiě)成矩陣形式為將上式寫(xiě)成矩陣形式為 v 考慮三相不對(duì)

18、稱情況下中線電流不為考慮三相不對(duì)稱情況下中線電流不為0 0，引入零序電，引入零序電流流 。它對(duì)合成磁場(chǎng)沒(méi)有貢獻(xiàn)，是與。它對(duì)合成磁場(chǎng)沒(méi)有貢獻(xiàn)，是與 軸正交的零軸軸正交的零軸 上的電流。令上的電流。令 ，與上述矩陣方程合，與上述矩陣方程合并得并得 321112233022abciiNiiNi 0i302()abcNiiiiN3201112233022abciiNiiNii Power Electronicsv 將上述變換矩陣表示為將上述變換矩陣表示為 ，理論上，理論上 可取任可取任意意 值，但為滿足值，但為滿足變換前后功率不變變換前后功率不變?cè)瓌t，原則， 應(yīng)為應(yīng)為正交矩正交矩 陣陣，即滿足，即滿足

19、 ，由此求出，由此求出 。 該變換同樣適合電壓和磁鏈的變換該變換同樣適合電壓和磁鏈的變換 3 /2ssC32NN、3 /2ssC13 /23 /2TssssCC3221,32NN00i 111222333022abciiiii 102133221322abciiiii v 當(dāng)三相對(duì)稱滿足當(dāng)三相對(duì)稱滿足 時(shí)，時(shí)，三相到兩相的變換為三相到兩相的變換為v 其逆變換，即兩相到三其逆變換，即兩相到三相的變換為相的變換為Power Electronicsv 2 2、dqdq變換變換v dqdq變換指將上述變換指將上述 兩相坐標(biāo)系變換到相兩相坐標(biāo)系變換到相差一定角度的另一差一定角度的另一dqdq兩相坐標(biāo)系。

20、兩相坐標(biāo)系。v 在電機(jī)系統(tǒng)中，一般假設(shè)在電機(jī)系統(tǒng)中，一般假設(shè) 兩相坐標(biāo)系兩相坐標(biāo)系是靜止的，而是靜止的，而dqdq坐標(biāo)系以某一轉(zhuǎn)速如磁坐標(biāo)系以某一轉(zhuǎn)速如磁場(chǎng)同步速旋轉(zhuǎn)，因此又常把這種變換稱場(chǎng)同步速旋轉(zhuǎn)，因此又常把這種變換稱為為兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的變換兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的變換。v 如右圖所示，設(shè)如右圖所示，設(shè)dqdq兩相坐標(biāo)系以角速度兩相坐標(biāo)系以角速度 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則d d軸領(lǐng)先軸領(lǐng)先 軸的角度軸的角度為為 ， 為為t=0t=0時(shí)刻時(shí)刻d d軸領(lǐng)先軸領(lǐng)先 軸軸的角度。的角度。1t1Power Electronicsv 同樣以電流變換為例分析，依據(jù)磁勢(shì)不變?cè)恚瑯右噪娏髯儞Q為例分析

21、，依據(jù)磁勢(shì)不變?cè)恚?坐坐標(biāo)系到標(biāo)系到dqdq坐標(biāo)系之間的電流變換矩陣可表示為坐標(biāo)系之間的電流變換矩陣可表示為 即即 其逆變換，即其逆變換，即dqdq坐標(biāo)系到坐標(biāo)系到 坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系的變換為 上述上述dqdq變換也適用于電壓和磁鏈的變換變換也適用于電壓和磁鏈的變換 112 /211cos()sin()cossinsincossin()cos()srttCtt112 /211cos()sin()sin()cos()dsrqiiittCiiittt 112 /211cos()sin()sin()cos()ddrsqqiiittCiiitt Power Electronicsv結(jié)合結(jié)合 變換與

22、變換與dqdq變換，可以得到三相靜止變換，可以得到三相靜止abcabc坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)dqdq坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系的變換為 v由此求得其變換矩陣為由此求得其變換矩陣為v其逆變換，即其逆變換，即dqdq坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系到三相靜止abcabc坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系的變換為 2 /22 /23 /2adsrsrssbqciiiCCCiiii 1113 /22 /23 /211122cos()cos()cos()233223sin()sin()sin()33srsrsstttCCCttt1112 /33 /21111cos()sin()222cos()sin()33322cos()

23、sin()33rssrttCCtttt(715)Power Electronicsv 設(shè)交流電機(jī)定子三相電流分別為三相對(duì)稱正弦波形設(shè)交流電機(jī)定子三相電流分別為三相對(duì)稱正弦波形 其中其中 為相電流峰值。為相電流峰值。v 在以其角速度在以其角速度 同步旋轉(zhuǎn)的同步旋轉(zhuǎn)的dqdq坐標(biāo)系下，運(yùn)用式（坐標(biāo)系下，運(yùn)用式（7-7-1515）表示的坐標(biāo)變換可得）表示的坐標(biāo)變換可得v 由此可見(jiàn)，三相靜止坐標(biāo)系下的正弦量變換到與其同由此可見(jiàn)，三相靜止坐標(biāo)系下的正弦量變換到與其同步旋轉(zhuǎn)的步旋轉(zhuǎn)的dqdq坐標(biāo)系下，表現(xiàn)為直流量，電機(jī)模型可以坐標(biāo)系下，表現(xiàn)為直流量，電機(jī)模型可以轉(zhuǎn)化為一臺(tái)轉(zhuǎn)化為一臺(tái)等效的直流電機(jī)模型等效的

24、直流電機(jī)模型，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的解耦勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的解耦，簡(jiǎn)化控制。，簡(jiǎn)化控制。 coscos(2/3 )cos(2/3 )apmbpmcpmiItiItiItpmI320dpmqiIiPower Electronics7.2.3 7.2.3 狀態(tài)空間平均法狀態(tài)空間平均法v 基于狀態(tài)變量的基于狀態(tài)變量的狀態(tài)空間模型狀態(tài)空間模型可以用來(lái)描述包括電可以用來(lái)描述包括電力電子變換裝置在內(nèi)的力電子變換裝置在內(nèi)的時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程。v 狀態(tài)空間模型是眾多非線性控制方法的基礎(chǔ)，具有狀態(tài)空間模型是眾多非線性控制方法的基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可用于很強(qiáng)的適應(yīng)性，可用于系統(tǒng)的

25、穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)不同要求的線性控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不同要求的線性控制環(huán)節(jié)計(jì)算機(jī)仿真求解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真求解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程v 電力電子變換裝置中因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的存在使系統(tǒng)具有明電力電子變換裝置中因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的存在使系統(tǒng)具有明顯的顯的非線性特征非線性特征，但通過(guò)，但通過(guò)狀態(tài)空間平均化和線性化狀態(tài)空間平均化和線性化同樣可以得到較好的數(shù)學(xué)描述，以此為基礎(chǔ)還可采同樣可以得到較好的數(shù)學(xué)描述，以此為基礎(chǔ)還可采用一些用一些經(jīng)典線性控制方法經(jīng)典線性控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。 Power Electronicsv 在一個(gè)由電力電子半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電力電子變換在一個(gè)由電力電子半導(dǎo)體器件

26、構(gòu)成的電力電子變換裝置中，考慮到每一個(gè)電力電子半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)裝置中，考慮到每一個(gè)電力電子半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)都因此而有兩種不同的電路結(jié)構(gòu)。狀態(tài)，系統(tǒng)都因此而有兩種不同的電路結(jié)構(gòu)。v 假設(shè)上述電力電子開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)（零導(dǎo)通壓降，假設(shè)上述電力電子開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)（零導(dǎo)通壓降，零阻態(tài)電流，以及零開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間），在周零阻態(tài)電流，以及零開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間），在周期期T T內(nèi)，電路的時(shí)間特性能夠由一般狀態(tài)空間模型形內(nèi)，電路的時(shí)間特性能夠由一般狀態(tài)空間模型形式表示如下：式表示如下：v 式中，式中，x x為狀態(tài)向量，為狀態(tài)向量， ；u u為輸入或控制信號(hào)；為輸入或控制信號(hào)；A A、B B、C C、

27、D D分別是狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣分別是狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣和前饋矩陣。和前饋矩陣。 XAxBuyCxDu/Xdx dtPower Electronicsv 依賴于時(shí)間依賴于時(shí)間t t的開(kāi)關(guān)函數(shù)的開(kāi)關(guān)函數(shù) 可以用來(lái)描述每個(gè)器件的可以用來(lái)描述每個(gè)器件的允許開(kāi)關(guān)狀態(tài)。允許開(kāi)關(guān)狀態(tài)。v 假設(shè)系統(tǒng)工作于固定開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)周期為假設(shè)系統(tǒng)工作于固定開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)周期為T(mén) T，以，以d d表示開(kāi)關(guān)的開(kāi)通占空比，則開(kāi)關(guān)函數(shù)可表示為表示開(kāi)關(guān)的開(kāi)通占空比，則開(kāi)關(guān)函數(shù)可表示為v 在每個(gè)電路結(jié)構(gòu)中，電路的狀態(tài)方程可以表示為在每個(gè)電路結(jié)構(gòu)中，電路的狀態(tài)方程可以表示為 ( ) t1( )t，0tdT0，dT

28、 tT11110( )1XAxButdTtyC xDu 當(dāng)時(shí)，2222( )0XA xB udTtTtyC xD u 當(dāng)時(shí)，(721)(722)Power Electronicsv 聯(lián)立式（聯(lián)立式（7-217-21）、（）、（7-227-22），可得電力電子變換電），可得電力電子變換電路的非線性時(shí)變開(kāi)關(guān)狀態(tài)空間模型如下：路的非線性時(shí)變開(kāi)關(guān)狀態(tài)空間模型如下： v 也即也即 v 式中式中12121212( )(1( )( )(1( )( )(1( )( )(1( )XAtAtXBtBtuyCtCtXDtDtuSSSSXA xB uyC xD u12121212( )(1( )( )(1( )( )

29、(1( )( )(1( )SSSSAAtAtBBtBtCCtCtDDtDt，Power Electronicsv 由于由于x x向量的狀態(tài)空間是連續(xù)的，考慮到占空比向量的狀態(tài)空間是連續(xù)的，考慮到占空比d d為為 的平均值，假設(shè)的平均值，假設(shè)X X的平均值是新的狀態(tài)變量，用的平均值是新的狀態(tài)變量，用 表示，且令表示，且令 ，可以得到，可以得到 v 在波動(dòng)很小和變化很慢的情況下，乘積的平均值可在波動(dòng)很小和變化很慢的情況下，乘積的平均值可以由平均值的乘積來(lái)估計(jì)，由此我們可以用以由平均值的乘積來(lái)估計(jì)，由此我們可以用 來(lái)代表來(lái)代表X X，這樣就可以得到狀態(tài)空間模型的關(guān)系式，這樣就可以得到狀態(tài)空間模型的關(guān)

30、系式v 式中式中( ) tX1dd 12121212()()()()XAdA dXB dB d uyC dC dXD dD d uXAXBuyCXDu12121212AAdA dBB dB dCC dC dDD dD d，XPower Electronicsv 下面以下面以Buck-Boost DC-DCBuck-Boost DC-DC變換器為例，通過(guò)建立該變換器為例，通過(guò)建立該變換器的狀態(tài)空間模型分析其電壓電流關(guān)系。變換器的狀態(tài)空間模型分析其電壓電流關(guān)系。 v當(dāng)當(dāng) 時(shí)，開(kāi)關(guān)器件時(shí)，開(kāi)關(guān)器件S S導(dǎo)通導(dǎo)通 0tdT LinoodiLVdtdvvCdtR v當(dāng)當(dāng) 時(shí)，開(kāi)關(guān)器件時(shí)，開(kāi)關(guān)器件S S關(guān)

31、斷關(guān)斷 dTtT LoooLdiLvdtdvvCidtRPower Electronicsv 令狀態(tài)變量令狀態(tài)變量 ，輸出變量為，輸出變量為 ，根據(jù)前，根據(jù)前面的分析，可以得到以下的矩陣面的分析，可以得到以下的矩陣 ， ， ， ， ， ,TLoxiv,ToLyv i10001/()ARC201/1/1/()LACRC11/,0TBL20,0TB inuV10110C20110C 10,0TD 20,0TD Power Electronicsv 得到該變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)模型為得到該變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)模型為 其中開(kāi)關(guān)函數(shù)其中開(kāi)關(guān)函數(shù) 0(1( )/( )/(1( )/1/()0LLinooiitLtL

32、VvtCRCv010100oLinoLviVvi 1( )t，0tdT0，dT tTPower Electronicsv 根據(jù)式（根據(jù)式（7-267-26），可以得到如下兩個(gè)方程），可以得到如下兩個(gè)方程 v 將上述狀態(tài)空間平均模型寫(xiě)成將上述狀態(tài)空間平均模型寫(xiě)成d d的函數(shù)為的函數(shù)為 0001/1/001/()1/1/()00LLinooiiLLddddVRCCRCvv 010100101000oLinoLviddddVvi 0(1)/(1)/1/()0LLinooiidLd LVdCRCvv010100oLinoLviVvi Power Electronicsv 上述模型即為上述模型即為Buc

33、k-BoostBuck-Boost電路的狀態(tài)空間平均模型。電路的狀態(tài)空間平均模型。利用模型中電壓和電流的等效關(guān)系，可以得到利用模型中電壓和電流的等效關(guān)系，可以得到Buck-Buck-BoostBoost變換器的變換器的平均等效電路平均等效電路，如下圖所示。，如下圖所示。v 該等效電路不含有開(kāi)關(guān)器件該等效電路不含有開(kāi)關(guān)器件S S，其重大意義是，其重大意義是使得原使得原來(lái)的非線性電路線性化來(lái)的非線性電路線性化了，便于分析電路的穩(wěn)態(tài)輸了，便于分析電路的穩(wěn)態(tài)輸入輸出關(guān)系。入輸出關(guān)系。 Power Electronics7.2.4 7.2.4 頻域模型頻域模型v 除狀態(tài)空間模型外，頻域模型也是分析電力除

34、狀態(tài)空間模型外，頻域模型也是分析電力電子變換裝置常用的數(shù)學(xué)模型。電子變換裝置常用的數(shù)學(xué)模型。v 在復(fù)頻域（在復(fù)頻域（s s域）內(nèi)對(duì)電力電子變換電路進(jìn)行域）內(nèi)對(duì)電力電子變換電路進(jìn)行交流小信號(hào)分析，可以利用經(jīng)典控制理論中交流小信號(hào)分析，可以利用經(jīng)典控制理論中的一些基本概念和成熟的方法，如零極點(diǎn)判的一些基本概念和成熟的方法，如零極點(diǎn)判斷、頻率特性、頻率響應(yīng)等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，斷、頻率特性、頻率響應(yīng)等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。Power Electronicsv 系統(tǒng)的復(fù)頻域數(shù)學(xué)模型可用傳遞函數(shù)來(lái)表示。系統(tǒng)的復(fù)頻域數(shù)學(xué)模型可用傳遞函數(shù)來(lái)表示。v 對(duì)于線性定常系統(tǒng)，傳遞函數(shù)對(duì)于線性定常系

35、統(tǒng)，傳遞函數(shù) 的定義：的定義：初始條件為零時(shí)，輸出拉氏變換初始條件為零時(shí)，輸出拉氏變換Y(s)Y(s)與輸入拉氏變換與輸入拉氏變換X(s)X(s)之比。之比。對(duì)于對(duì)于n n階系統(tǒng)有階系統(tǒng)有 其中其中 、 均為常數(shù)。均為常數(shù)。 ( )G s10111011.( )( ),( ).mmmmnnnnb sb sbsbY sG snmX sa sa sasa(0,1,1, )ia inn(0,1,1,)jbjmmPower Electronicsv 系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的響應(yīng)稱為系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)，頻率響應(yīng)反，頻率響應(yīng)反映出自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的定性描述。映出自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的定性

36、描述。v 令系統(tǒng)的傳遞函數(shù)令系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)G(s)中中 ，則得，則得 ，稱為，稱為正正弦傳遞函數(shù)弦傳遞函數(shù)，它是一個(gè)復(fù)數(shù)量，它是一個(gè)復(fù)數(shù)量 的復(fù)變函數(shù)的復(fù)變函數(shù) 式中，式中， 的幅值；的幅值； 的相位。的相位。sj()G j()()()()jaG jG jG jG je()()G jG j()()G jaG j ()()tan()meIG jG jarcR G jPower Electronicsv采用頻域模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)下采用頻域模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)下列頻域性能指標(biāo)衡量系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性：列頻域性能指標(biāo)衡量系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性：v相位裕量相位裕量 ，衡量穩(wěn)定性；，衡量穩(wěn)

37、定性；v增益裕量增益裕量 ，衡量穩(wěn)定性；，衡量穩(wěn)定性；v諧振頻率諧振頻率 ，衡量系統(tǒng)低頻特性；，衡量系統(tǒng)低頻特性； v幅頻特性諧振峰值幅頻特性諧振峰值 ，衡量動(dòng)態(tài)超調(diào)；，衡量動(dòng)態(tài)超調(diào)； 1. 1.閉環(huán)頻率響應(yīng)的帶寬：衡量動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，可近似用增益交閉環(huán)頻率響應(yīng)的帶寬：衡量動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，可近似用增益交越頻率越頻率 表示，帶寬大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但同時(shí)高頻噪聲表示，帶寬大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但同時(shí)高頻噪聲也大。也大。 gKrrMePower Electronicsv 下面以下面以Buck-boostBuck-boost變換器為例，分析其變換器為例，分析其小信號(hào)頻域小信號(hào)頻域模型模型。v采用開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)

38、其電路方程進(jìn)行合并化簡(jiǎn)，可得到其控制（占采用開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)其電路方程進(jìn)行合并化簡(jiǎn)，可得到其控制（占空比空比d d）輸出（輸出電壓）輸出（輸出電壓 ）的小信號(hào)傳遞函數(shù)。根據(jù)下式）的小信號(hào)傳遞函數(shù)。根據(jù)下式可畫(huà)出可畫(huà)出BodeBode圖，從而采用經(jīng)典控制理論中一些基本方法對(duì)其圖，從而采用經(jīng)典控制理論中一些基本方法對(duì)其幅頻特性和相頻特性進(jìn)行分析，得出其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。幅頻特性和相頻特性進(jìn)行分析，得出其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 v在右圖所示電路中加入小信號(hào)擾在右圖所示電路中加入小信號(hào)擾動(dòng)，此時(shí)，系統(tǒng)中各變量是其穩(wěn)動(dòng)，此時(shí)，系統(tǒng)中各變量是其穩(wěn)態(tài)平均值和小信號(hào)擾動(dòng)變量的疊態(tài)平均值和小信號(hào)擾動(dòng)變量的疊加，令加，

39、令,LLLooodDd iIi vVvov02(1)( )( )(1)(1)oLDVsv sRLDd sDD LCssR Power Electronics7.3 7.3 電壓與電流的閉環(huán)控制電壓與電流的閉環(huán)控制v 在基于電力電子變換技術(shù)的系統(tǒng)中，其電力電子在基于電力電子變換技術(shù)的系統(tǒng)中，其電力電子變換器部分最終變換器部分最終直接控制直接控制的一般都是的一般都是電壓或電流電壓或電流量量。v 為了準(zhǔn)確控制電壓電流量，采用反饋閉環(huán)是必不為了準(zhǔn)確控制電壓電流量，采用反饋閉環(huán)是必不可少的。各種可少的。各種閉環(huán)負(fù)反饋閉環(huán)負(fù)反饋不僅可以提高系統(tǒng)的不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)精度態(tài)精度，而且可以影響系統(tǒng)的，而且

40、可以影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。選擇合。選擇合適的閉環(huán)控制策略可以使系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)適的閉環(huán)控制策略可以使系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)小以及無(wú)靜差等。小以及無(wú)靜差等。v 根據(jù)根據(jù)反饋結(jié)構(gòu)反饋結(jié)構(gòu)，存在，存在單閉環(huán)控制單閉環(huán)控制和和雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制等等方式；而根據(jù)方式；而根據(jù)最內(nèi)環(huán)控制變量最內(nèi)環(huán)控制變量特點(diǎn)，可把系統(tǒng)分特點(diǎn)，可把系統(tǒng)分為為電壓型控制電壓型控制和和電流型控制電流型控制。Power Electronicsv 7.3.1 7.3.1 單閉環(huán)控制單閉環(huán)控制v 7.3.2 7.3.2 雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制Power Electronics7.3.1 7.3.1 單閉環(huán)控制單閉環(huán)控制v 電壓

41、型控制指通過(guò)給定電壓與反饋電壓的比電壓型控制指通過(guò)給定電壓與反饋電壓的比較和調(diào)節(jié)，直接控制電力電子開(kāi)關(guān)的控制方較和調(diào)節(jié)，直接控制電力電子開(kāi)關(guān)的控制方式。式。v 電壓型控制是電力電子變換器中最基本的一電壓型控制是電力電子變換器中最基本的一種控制方式，屬于單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，種控制方式，屬于單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于交直流電源、交直流調(diào)速系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于交直流電源、交直流調(diào)速系統(tǒng)。 下面首先以下面首先以直流調(diào)速系統(tǒng)中的電壓?jiǎn)伍]環(huán)控直流調(diào)速系統(tǒng)中的電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制制為例分析電壓型控制的特點(diǎn)，再介紹一種為例分析電壓型控制的特點(diǎn)，再介紹一種較新型的較新型的單周期控制方法單周期控制方法。 v 1 1

42、、電壓型控制、電壓型控制Power Electronicsv ( 1 )( 1 ) 直流調(diào)速系統(tǒng)中的電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)中的電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制v 主要目的主要目的：通過(guò)控制電壓量來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速：通過(guò)控制電壓量來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速v 在此直接以具有電壓純比例調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)控制為例分在此直接以具有電壓純比例調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)控制為例分析，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖所示。析，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 為被控制的電機(jī)端電壓，為被控制的電機(jī)端電壓， 為為電壓給定，電壓給定， 為電壓反饋，為電壓反饋， 為電為電壓調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，壓調(diào)節(jié)器比例系數(shù)， 為功率放大為功率放大器比例系數(shù)，器比例系數(shù)， 為電壓反饋比例系為電壓反

43、饋比例系數(shù)，數(shù)， 為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)系數(shù)，為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)系數(shù)， 為為電樞電流，電樞電流， 為電樞電阻，為電樞電阻， 為電動(dòng)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。機(jī)轉(zhuǎn)速。0dU*uUuUpKeKsKdIRPower Electronicsv 根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成，可以寫(xiě)出電壓?jiǎn)伍]環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制輸出根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成，可以寫(xiě)出電壓?jiǎn)伍]環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制輸出電壓為電壓為 ；式中，電壓開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；式中，電壓開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) 。v 穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)端電壓與反電勢(shì)的差值為電樞電阻上的壓穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)端電壓與反電勢(shì)的差值為電樞電阻上的壓降，一般在總電壓所占比重很小，如果予以忽略，則降，一般在總電壓所占比重很小，如果予以忽略，則可認(rèn)為電機(jī)端電壓等于反電勢(shì)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正

44、比?？烧J(rèn)為電機(jī)端電壓等于反電勢(shì)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。v 如對(duì)該電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，可在一定程度上控制電機(jī)如對(duì)該電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，可在一定程度上控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)省去了電機(jī)測(cè)速裝置。此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)控轉(zhuǎn)速，同時(shí)省去了電機(jī)測(cè)速裝置。此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出為制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出為psu0u(1)dK K UUKupsKK Kpsuu(1)deeK K URIKKK(734)Power Electronicsv 特點(diǎn)：特點(diǎn)：通過(guò)式（通過(guò)式（7-347-34）可以看出，）可以看出，該系統(tǒng)對(duì)電壓閉環(huán)前向通道包含的該系統(tǒng)對(duì)電壓閉環(huán)前向通道包含的環(huán)節(jié)產(chǎn)生的擾動(dòng)具有較好的抑制作用環(huán)節(jié)產(chǎn)生的擾動(dòng)具有較好的抑制作用

45、，包括電源波動(dòng)、調(diào)節(jié)器，包括電源波動(dòng)、調(diào)節(jié)器和功率放大器參數(shù)波動(dòng)等；但和功率放大器參數(shù)波動(dòng)等；但系統(tǒng)對(duì)負(fù)載電流引起的速度降落系統(tǒng)對(duì)負(fù)載電流引起的速度降落沒(méi)有抑制作用沒(méi)有抑制作用，所以調(diào)速特性較軟。，所以調(diào)速特性較軟。v 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：除了在電機(jī)控制中的應(yīng)用之外，電壓型閉環(huán)控制也可應(yīng)用于開(kāi)除了在電機(jī)控制中的應(yīng)用之外，電壓型閉環(huán)控制也可應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源等系統(tǒng)。但用于開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓控制時(shí)，其動(dòng)態(tài)響關(guān)電源等系統(tǒng)。但用于開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓控制時(shí)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，例如當(dāng)輸入電壓階躍增加時(shí)，必須等到控制系統(tǒng)檢測(cè)應(yīng)較慢，例如當(dāng)輸入電壓階躍增加時(shí)，必須等到控制系統(tǒng)檢測(cè)出負(fù)載電壓上升，才能產(chǎn)生負(fù)反饋調(diào)節(jié)作

46、用。所以直接的電壓出負(fù)載電壓上升，才能產(chǎn)生負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用。所以直接的電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制一般應(yīng)用于一些性能要求不太高的低成本方案。單閉環(huán)控制一般應(yīng)用于一些性能要求不太高的低成本方案。Power Electronicsv ( 2 )( 2 ) 單周期控制單周期控制v 單周期控制（單周期控制（One Circle ControlOne Circle Control）是在）是在2020世紀(jì)世紀(jì)9090年年代初由代初由Keyue M. Sem dley Keyue M. Sem dley 基于基于BuckBuck電路提出的一種電路提出的一種大信號(hào)非線性的控制方法大信號(hào)非線性的控制方法。v 單周期控制方法不是

47、直接控制輸出量使其等于參考值，單周期控制方法不是直接控制輸出量使其等于參考值，而是通過(guò)控制與輸出值相關(guān)的器件上的變量來(lái)間接控而是通過(guò)控制與輸出值相關(guān)的器件上的變量來(lái)間接控制輸出。制輸出。v 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)控制開(kāi)關(guān)管的占空比在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)控制開(kāi)關(guān)管的占空比d d，使開(kāi)關(guān)變，使開(kāi)關(guān)變量的穩(wěn)態(tài)平均值或瞬態(tài)平均值等于參考量或與參考量量的穩(wěn)態(tài)平均值或瞬態(tài)平均值等于參考量或與參考量成比例。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的誤差都在本周期內(nèi)消除，前成比例。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的誤差都在本周期內(nèi)消除，前一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的誤差不會(huì)帶到后一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的誤差不會(huì)帶到后一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。Power Electronicsv 單周期控制

48、的核心部分是帶復(fù)位端的積分器和比較器。單周期控制的核心部分是帶復(fù)位端的積分器和比較器。其控制電路的原理如下圖所示。其控制電路的原理如下圖所示。v 圖中圖中S S為開(kāi)關(guān)，為開(kāi)關(guān)，X(t)X(t)為開(kāi)關(guān)為開(kāi)關(guān)S S的輸入變量，的輸入變量，Y(t)Y(t)為開(kāi)關(guān)為開(kāi)關(guān)S S 的輸出變量，的輸出變量， 為積分器的積分時(shí)間常數(shù)，為積分器的積分時(shí)間常數(shù)， 。v 開(kāi)關(guān)函數(shù)開(kāi)關(guān)函數(shù) ，輸入變量，輸入變量X(t)X(t)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S S后后輸出變量輸出變量Y(t)Y(t)，則輸入和輸出的關(guān)系為，則輸入和輸出的關(guān)系為 。RC10( )0tdTtdTtT ， ，( )( )( )Y ttX tPower El

49、ectronicsv 假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入變量假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入變量X(t)X(t)的變化頻率，則在的變化頻率，則在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)的輸入變量每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)的輸入變量X(t)X(t)可以看成恒定值可以看成恒定值, , 那么輸出變量可以表示為那么輸出變量可以表示為 其中其中d(t)d(t)為占空比對(duì)時(shí)間的函數(shù)。為占空比對(duì)時(shí)間的函數(shù)。v 如果控制開(kāi)關(guān)的占空比如果控制開(kāi)關(guān)的占空比d(t)d(t)使開(kāi)關(guān)變量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周使開(kāi)關(guān)變量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的平均值等于參考量期中的平均值等于參考量 在該開(kāi)關(guān)周期中的積分值在該開(kāi)關(guān)周期中的積分值, , 即即 ，可得，可得v 通過(guò)單周期控制，可以使得開(kāi)關(guān)有效

50、輸出信號(hào)通過(guò)單周期控制，可以使得開(kāi)關(guān)有效輸出信號(hào)0011( )( )( )( ) ( )dTdTY tX t dtX tdtX t d tTTrefV00( )TTrefX t dtV dt0011( )( )TTrefrefY tX t dtVdtVTT( )( )refY tVtPower Electronicsv 下面以下面以BuckBuck電路為例說(shuō)明單周期控制實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的電路為例說(shuō)明單周期控制實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的方法，控制原理圖如下。方法，控制原理圖如下。v BuckBuck電路的開(kāi)關(guān)函數(shù)可以由二極管上的電壓表示，開(kāi)電路的開(kāi)關(guān)函數(shù)可以由二極管上的電壓表示，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)二極管上的電壓為關(guān)管

51、開(kāi)通時(shí)二極管上的電壓為VinVin，關(guān)斷時(shí)二極管上，關(guān)斷時(shí)二極管上的電壓為的電壓為0 0。通過(guò)控制二極管上的電壓，使其在一個(gè)。通過(guò)控制二極管上的電壓，使其在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值等于參考值，以此來(lái)改變開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值等于參考值，以此來(lái)改變開(kāi)關(guān)管的占空比的占空比d d，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。單周期控制的控制規(guī)律：?jiǎn)沃芷诳刂频目刂埔?guī)律：0011( )TdTrefdininVtV dtV dtdVTTPower Electronicsv 圖中電壓環(huán)由電壓檢測(cè)裝置、圖中電壓環(huán)由電壓檢測(cè)裝置、帶復(fù)位功能的積分器、電壓比帶復(fù)位功能的積分器、電壓比較器以及開(kāi)關(guān)控制器等組成。較

52、器以及開(kāi)關(guān)控制器等組成。v 在每一個(gè)周期的開(kāi)始，檢測(cè)到在每一個(gè)周期的開(kāi)始，檢測(cè)到的二極管兩端電壓進(jìn)入積分器的二極管兩端電壓進(jìn)入積分器積分后與電壓給定值積分后與電壓給定值 進(jìn)行比進(jìn)行比較，當(dāng)積分器輸出達(dá)到給定值較，當(dāng)積分器輸出達(dá)到給定值時(shí)輸出關(guān)斷信號(hào)，同時(shí)復(fù)位積時(shí)輸出關(guān)斷信號(hào)，同時(shí)復(fù)位積分器，為下一個(gè)周期作準(zhǔn)備，分器，為下一個(gè)周期作準(zhǔn)備，這樣得到的輸出電壓的平均值這樣得到的輸出電壓的平均值與給定值在每一個(gè)周期內(nèi)都完與給定值在每一個(gè)周期內(nèi)都完全相等。全相等。refTV單周期控制的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)沃芷诳刂频膬?yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)快動(dòng)態(tài)響應(yīng)快抗擾動(dòng)性能好抗擾動(dòng)性能好 Power Electronicsv 電流型控制是

53、指通過(guò)給定電流與反饋電流的電流型控制是指通過(guò)給定電流與反饋電流的比較和調(diào)節(jié)，直接控制電力電子開(kāi)關(guān)的控制比較和調(diào)節(jié)，直接控制電力電子開(kāi)關(guān)的控制方式。方式。v 電流閉環(huán)控制在電力電子電路中應(yīng)用也非常電流閉環(huán)控制在電力電子電路中應(yīng)用也非常廣泛，傳動(dòng)系統(tǒng)中可以通過(guò)控制電流調(diào)節(jié)輸廣泛，傳動(dòng)系統(tǒng)中可以通過(guò)控制電流調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，構(gòu)成轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，電源中可以采出轉(zhuǎn)矩，構(gòu)成轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，電源中可以采用電流控制構(gòu)成恒流源。用電流控制構(gòu)成恒流源。v 另外，電流閉環(huán)控制可以作為電壓控制、電另外，電流閉環(huán)控制可以作為電壓控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，提高系統(tǒng)的控制機(jī)轉(zhuǎn)速控制的系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，提高系統(tǒng)的控制精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速

54、度。精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 v 2 2、電流型控制、電流型控制Power Electronicsv 電流控制中常用的方法主要有以下幾種電流控制中常用的方法主要有以下幾種 ( 1 ) ( 1 ) 電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制( 2 ) ( 2 ) 電流電流PIPI控制控制( 3 ) ( 3 ) 預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制( 4 ) ( 4 ) 其他控制方法：其他控制方法： 峰值電流控制峰值電流控制、平均電流控制平均電流控制等電流控制等電流控制方法，一般不單獨(dú)采用，而是方法，一般不單獨(dú)采用，而是作為電壓控制的內(nèi)環(huán)作為電壓控制的內(nèi)環(huán)，因此在雙，因此在雙閉環(huán)電壓電流控制中專門(mén)介紹。閉環(huán)電壓電流控制中專門(mén)介紹。 Pow

55、er Electronics( 1 ) ( 1 ) 電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制v電流滯環(huán)控制是一種電流瞬時(shí)值反饋控制，其基本方法是將電電流滯環(huán)控制是一種電流瞬時(shí)值反饋控制，其基本方法是將電流實(shí)際檢測(cè)值與電流給定值做比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較流實(shí)際檢測(cè)值與電流給定值做比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入信號(hào)，通過(guò)滯環(huán)比較器的作用輸出控制開(kāi)關(guān)器件通斷器的輸入信號(hào)，通過(guò)滯環(huán)比較器的作用輸出控制開(kāi)關(guān)器件通斷的的PWMPWM信號(hào)。信號(hào)。( 2 ) ( 2 ) 電流電流PIPI控制控制v電流電流PIPI控制屬于經(jīng)典控制理論的范疇，主要用于提供較大的直控制屬于經(jīng)典控制理論的范疇，主要用于提供較大的直流增益以

56、流增益以消除穩(wěn)態(tài)誤差消除穩(wěn)態(tài)誤差。vPIPI控制器的輸出通常用于控制電力電子裝置的輸出電壓，一般控制器的輸出通常用于控制電力電子裝置的輸出電壓，一般有限幅環(huán)節(jié)加以限制。限幅值的大小通常和裝置的最大輸出電有限幅環(huán)節(jié)加以限制。限幅值的大小通常和裝置的最大輸出電壓相關(guān)。壓相關(guān)。vPIPI控制器的輸出包括比例項(xiàng)和積分項(xiàng)。當(dāng)控制器的輸出達(dá)到限控制器的輸出包括比例項(xiàng)和積分項(xiàng)。當(dāng)控制器的輸出達(dá)到限幅值后，輸出被限制，控制器失去調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)以開(kāi)環(huán)方式幅值后，輸出被限制，控制器失去調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)以開(kāi)環(huán)方式運(yùn)行。運(yùn)行。 Power Electronicsv 下面以下面以直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的電流控

57、制為例分析。中的電流控制為例分析。v 直流電機(jī)的電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：直流電機(jī)的電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 為電流為電流PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，為電力電子功率放大器傳遞函為電力電子功率放大器傳遞函數(shù)，數(shù)， 為電機(jī)繞組傳遞函為電機(jī)繞組傳遞函數(shù)，數(shù)， 為電樞電流反饋裝置為電樞電流反饋裝置傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)， 為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)系數(shù)，系數(shù)， 為電流給定，為電流給定， 為電為電流反饋，流反饋， 為電樞電流，為電樞電流， 為為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 ACRW1ssKT s 11lRTs1iTseKiUiUdIPower Electronicsv系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，由于系統(tǒng)

58、進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，由于PIPI調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)增益為無(wú)窮大，所以可以調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)增益為無(wú)窮大，所以可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制。 v以以PIPI調(diào)節(jié)器的一種特殊情況即積分項(xiàng)為零時(shí)來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)器的一種特殊情況即積分項(xiàng)為零時(shí)來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，此時(shí)，系統(tǒng)的特性，此時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，其中結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，其中 為電流調(diào)節(jié)為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。器的比例系數(shù)。v電流單閉環(huán)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的輸出和輸入設(shè)定的關(guān)電流單閉環(huán)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的輸出和輸入設(shè)定的關(guān)系式如下；式中，開(kāi)環(huán)增益系式如下；式中，開(kāi)環(huán)增益 。 PKips/KK KRpsieii11dK K UKIRKRKP

59、ower Electronicsv 由于電流閉環(huán)的作用，直流電動(dòng)機(jī)的電流及輸出轉(zhuǎn)矩由于電流閉環(huán)的作用，直流電動(dòng)機(jī)的電流及輸出轉(zhuǎn)矩可得到很好的控制，其機(jī)械特性如下圖所示。一旦電可得到很好的控制，其機(jī)械特性如下圖所示。一旦電流給定，電機(jī)電流將不隨轉(zhuǎn)速產(chǎn)生大的變化，因此可流給定，電機(jī)電流將不隨轉(zhuǎn)速產(chǎn)生大的變化，因此可以提供基本恒定的輸出轉(zhuǎn)矩。以提供基本恒定的輸出轉(zhuǎn)矩。 Power Electronicsv下面分析交流電流調(diào)節(jié)器中的下面分析交流電流調(diào)節(jié)器中的PIPI控制器。控制器。a) a) 靜止坐標(biāo)系中相電流靜止坐標(biāo)系中相電流PIPI控制器控制器v在靜止坐標(biāo)系下，每相電流的調(diào)節(jié)都需要一個(gè)在靜止坐標(biāo)系

60、下，每相電流的調(diào)節(jié)都需要一個(gè)PIPI控制器。電流控制器。電流給定值與檢測(cè)值的誤差作為給定值與檢測(cè)值的誤差作為PIPI控制器的輸入，輸出側(cè)產(chǎn)生一個(gè)控制器的輸入，輸出側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電壓指令電壓指令 與三角波進(jìn)行比較。比較的結(jié)果一般是直接產(chǎn)生與三角波進(jìn)行比較。比較的結(jié)果一般是直接產(chǎn)生PWMPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)橋臂上的開(kāi)關(guān)器件。這樣，信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)橋臂上的開(kāi)關(guān)器件。這樣，逆變器的橋臂逆變器的橋臂切換頻率等于三角波的頻率，輸出電壓正比于切換頻率等于三角波的頻率，輸出電壓正比于PIPI控制器輸出的控制器輸出的電壓信號(hào)大小電壓信號(hào)大小。aiaiPIinU負(fù)載aiupSdownS*inUPower Electroni