電力電子技術無差拍控制方程畢業(yè)論文

1、太原科技大學電子信息工程學院畢業(yè)論文(設計)摘 要首先對變頻器進行了簡單介紹，并對變頻器的諧波產(chǎn)生機理、諧波干擾途徑、諧波干擾的危害等進行了分析。接著說明了脈沖寬度調(diào)制型方法的一系列性質(zhì)，并由負載性質(zhì)下的無差拍控制方程推導出了感性負載下的無差拍控制方程，由控制方程進行了計算機模擬仿真研究，并給出了一系列模擬結果。仿真結果表明，所得的輸出波形已與正弦波相當接近，證明了無差拍控制是一種有效的諧波抑制技術，同時也是一種性能優(yōu)良的PWM方法，采用此種控制算法能夠有效的抑制變頻器工作過程中產(chǎn)生的諧波干擾，并使輸出電壓很好的跟蹤參考電壓，控制響應快。而且只有根據(jù)負載的性質(zhì)來確定控制方程及其系數(shù)，這種優(yōu)良性

2、能才能得以充分的發(fā)揮。關鍵詞：變頻器 脈寬調(diào)制 無差拍控制ABSTRACT Carry on simple introduction to frequency converter at first, and in harmony wave in frequency converter produce mechanism, in harmony wave interfere way , in harmony danger that wave interfered ,etc. analyse. Then has stated a series of nature of the modulating

3、 type method of width of pulse, and by load having difference is it control equation derive appear to have difference make the equation of controlling perceptual load to make under the nature, carry on the artificial research of computer simulation from the equation of controlling, provide a series

4、of simulation results. Artificial result indicate output waveform of income with sinusoidal wave to close quite already, is it have difference is it control it is one effective in harmony wave that suppress technology is one of good performance PWM method at the same time to make to prove, can adopt

5、 the control algorithm effective restrain frequency converter working course the wave in harmony emerging is interfered, enable outputting the voltage and well follow the reference voltage, control and respond it fast. Fix and control the equation and his coefficient according to the nature of load

6、only, its coefficients are determined according to the property of load. KEY WORDS: transducer PWM dead-beat control目 錄前言1第1章 變頻器 31.1 變頻器簡介 3 1.2 變頻器構造與控制方式4 1.2.1 變頻器的構造4 1.2.2 變頻器的控制方式51.3 變頻器的諧波7 1.3.1 諧波產(chǎn)生機理及干擾途徑8 1.3.2 諧波干擾的危害8 1.3.3 抑制諧波干擾的對策10第2章 無差拍控制法112.1 脈沖寬度調(diào)制型（PWM）方法11 2.1.1 PWM控制的基本原理

7、12 2.1.2 PWM型逆變電路的控制方式132.2 無差拍控制的涵義142.3 不同性質(zhì)下無差拍控制方程及其推導15第3章 優(yōu)秀的仿真軟件MATLAB 213.1 MATLAB簡介213.2 MATLAB的特色24 3.3 M函數(shù)的編寫27 3.4 Simulink仿真283.4.1 Simulink基礎常識28 3.4.2 Power sys工具箱30第4章 模擬仿真研究31 4.1 仿真圖形實現(xiàn)31 4.2 計算機模擬研究35結論41致謝42參考文獻43附錄 英文及其翻譯前 言電力電子技術(Power Electronics Technology)是電工技術的分支之一，也是未來科學技術

8、發(fā)展的重要支柱。應用電力電子器件和以計算機為代表的控制技術，對電能特別是大的電功率進行處理和轉換，是電力電子技術的主要內(nèi)容。有人預言：電力電子技術連同運動控制將和計算機技術一起成為21世紀最重要的兩大技術。隨著計算機以及各種精密自動化設備、電子設備被廣泛應用于通信、工業(yè)自動化控制、辦公自動化等領域，變頻器作為電力電子技術的重要組成部分，近年來得到了迅速發(fā)展。于是對變頻器中逆變器的控制成了研究重點，即要求其輸出波形穩(wěn)態(tài)精度高、總諧波畸變率低和動態(tài)響應快。PWM方法有使逆變器調(diào)頻調(diào)壓方便、低次諧波小、主電路結構簡單、重量輕、造價低等優(yōu)點，因而在交流電機調(diào)速和不間斷電源中得到了廣泛應用。三角波交截法

9、1或稱次諧波控制法以及通過計算機離線確定PWM開關點位置2，3來產(chǎn)生PWM脈沖都是開環(huán)控制，未給出負載變化對電路工作狀態(tài)產(chǎn)生影響的反饋信息，因而不可避免的會有負載突變引起的逆變器輸出變化過度時間過長，當為非線性負載時輸出諧波失真大等缺點。采用滯環(huán)比較器帶非線性反饋的PWM方法4，5，雖從原理上克服了開環(huán)控制的缺點，但要求輸出諧波畸變較小時開關頻率會急劇上升5，增加了逆變器開關損耗。KPGokhale等在1987年首先提出了逆變器無差拍控制方法6，可克服上述不足之處。其實驗指出，當采樣頻率為1.8kHz時，輸出60Hz的正弦交流電壓的諧波失真為1.34%。負載為非線性且條件最惡劣的情況下，諧波失

10、真為11.1%，而普通PWM方法為20.5%，表明了該方法的優(yōu)越性。但文獻8僅僅研究了純電阻負載的情形，而實際應用中常有感性負載或容性負載的存在。本文首先介紹了一下變頻器的原理與構成部分等，同時對變頻器諧波產(chǎn)生的機理進行了分析。然后就無差拍控制法的特點等進行了總結，先導出了感性負載時的無差拍控制方程，并對其進行了MATLAB仿真，同時也對不同性質(zhì)負載時無差拍控制方法PWM型逆變器的性能進行了計算機模擬仿真研究。在仿真前我們對當前國際控制界最流行的面向工程與科學計算的高級語言MATLAB進行了簡單的介紹。研究過程中我們發(fā)現(xiàn)：通過模擬仿真選擇最佳濾波參數(shù)使開關頻率最低，諧波輸出最小，直流電壓利用率

11、最高，額定功率輸出時流過開關器件的電流最小，從而為該方法的實施探索了一條可行的道路。第1章 變頻器變頻器由于其優(yōu)良的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果，近年來在礦井提升、機械建筑、石油化工和造紙等行業(yè)得到了廣泛的應用。但逆變電路輸出側產(chǎn)生的高次諧波會給電動機帶來諸如發(fā)熱加劇、低頻脈動及噪聲等問題，甚至造成電機損壞；另外，諧波還對通信以及電子設備產(chǎn)生嚴重干擾，影響周圍設備的正常運行。因此，本章首先對變頻器其構造與控制方式進行了簡單的介紹，接著就變頻器諧波產(chǎn)生的機理與危害的進行了分析。1.1 變頻器簡介交流變頻調(diào)速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展方向，隨著電力電子技術，微電子技術和現(xiàn)代控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中

12、的應用，變頻交流調(diào)速已逐漸取代了過去的滑差調(diào)速，變極調(diào)速，直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的許多領域。變頻技術是應交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀60年代后半期開始，電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制品閘管）發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的更新促使電力變換技術的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM

13、VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用。對交流電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速的變頻電源裝置叫變頻器。其功能是將電網(wǎng)提供的恒壓恒頻CVCF（Constant Voltage Constant Frequency）交流電變換為變壓變頻VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）交流電，變頻伴隨變壓，對交流電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。為了使輸出電壓和輸出頻率都得到控制

14、，變頻器通常由一個可控整流電路和一個逆變電路組成，控制整流電路以改變輸出電壓，控制逆變電路以改變輸出頻率。變頻器通常劃分為：交-交變頻器，脈沖寬度調(diào)制型變頻器（PWM），交-直-交變頻器等。其中交-交變頻器又可按相數(shù)劃分為單相變頻器與三相變頻器，按輸出波形可劃分為正弦波變頻器與方波變頻器；而交-直-交變頻器也可劃分為電壓源型變頻器與電流源型變頻器。1.2 變頻器的構造與控制方式1.2.1 變頻器的構造變頻器通常由一個可控整流電路和一個逆變電路組成，控制整流電路以改變輸出電壓，控制逆變電路以改變輸出頻率。其中逆變器的結構框圖如下：圖1-1 逆變器框圖隨著變頻調(diào)速器的廣泛應用，許多工程技術人員對它

15、也有了相當?shù)牧私猓话阃ㄓ眯妥冾l器大致包括以下幾個部分：1整流電路，2直流中間電路，3逆變電路，4控制電路。而產(chǎn)生可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的逆變電路，又應該是變頻器各組成部分的核心技術。逆變電路主要包括：逆變模塊和驅(qū)動電路。由于受到加工工藝，封裝技術，大功率晶體管元器件等因數(shù)的影響，目前逆變模塊主要由日本(東芝，三菱，三社，富士，三肯)及歐美(西門子，西門康，摩托羅拉，IR)等少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)。1.2.2 變頻器的控制方式變頻器的控制方式經(jīng)歷以下四代，我們可以在不同的情況下選擇合適的控制方式，以使變頻器運轉最佳，獲得最好的控制效果。(一) 以U/f=C，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式其特點是：控制

16、電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，但系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。(二) 以電壓空間矢量（磁通軌跡法），又稱SVPWM控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次

17、生成三相調(diào)制波形。以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式而進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進：引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流成閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。(三) 以矢量控制（磁場定向法）又稱VC控制矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相

18、當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。然而轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，實際效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。(四) 以直

19、接轉矩控制，又稱DTC控制1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。(五) 矩陣式交-交方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交直交變頻中的

20、一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應運而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦并且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是：控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式；自動識別（ID）依靠精確的電機數(shù)學模型，對電機參數(shù)自動識別；算出實際值對定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際

21、的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；實現(xiàn)Band-Band控制按磁鏈和轉矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關狀態(tài)進行控制；具有快速的轉矩響應（<2ms），很高的速度精度（±2%，無PC反饋），高轉矩精度（<+3%）；具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括在0速度時），可輸出150%200%轉矩。1.3 變頻器的諧波變頻器中要進行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負載及其它鄰近電氣設備。在實際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問題，下面開始簡單介紹諧波產(chǎn)生的機理，并就此分析諧波抑制問題。

22、1.3.1 諧波產(chǎn)生機理與干擾途徑變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關組件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變組件，其PWM的載波頻率為23kHz，而IGBT大功率逆變組件的PWM最高載頻可達到15kHz。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外

23、高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。變頻器諧波干擾的途徑，與一般無線電干擾一樣，可分為傳導和輻射。在傳導過程中，與變頻器輸出線平行敷設的導線又會產(chǎn)生電磁耦合而形成感應干擾：變頻器輸出側諧波又會輻射，對附近的無線電設備產(chǎn)生干擾。1.3.2 諧波干擾的危害變頻器的諧波對各種設備都有比較大的危害，具體說來如下：a. 變壓器 電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間共振，及引起鐵心磁通飽和或歪斜，而產(chǎn)生燥聲。損失隨頻率之增大而增大，故諧波的高頻成分比低頻成分對增加變壓器的溫升是比較重要

24、的因素。b. 電動機 輸出諧波會引起電動機附加發(fā)熱，導致電動機額外溫升，電動機往往降額使用。由于輸出波形失真，增加電動機的重復峰值電壓，影響電動機的絕緣，諧波還會引起電動機轉矩脈動，以及噪聲增加。c. 電力電容器組 一般電容器的標準規(guī)范規(guī)定其最大電流只允許35的超載。但實際運轉時由于諧波的影響常常嚴重超載。由于電容器之阻抗，隨頻率的增加而減少，故諧波產(chǎn)生時，電容器即成為一陷流點，流入大量電流，因而導致過熱，增加介電質(zhì)的應力，甚至損壞電力電容器。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會產(chǎn)生振動電路、過電流及產(chǎn)生噪聲。d. 開關設備 由于諧波電流的存在，開關設備在起動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，致使增加

25、暫態(tài)恢復電壓的峰值，以致破壞絕緣。開關設備一旦出現(xiàn)了問題，則消弧線圈將無法正常的使電弧引入消弧室內(nèi)，而使開關設備無法正常斷開電路。所以當諧波過大時，常會引起一些無熔絲開關跳脫，也很容易使一些開關里的電力熔絲（保險絲）熔斷。e. 保護電路 電流中含有諧波，必產(chǎn)生額外的轉矩，改變電器的動作特性，以致引起誤動作。一般而言，諧波應限制在10以下，才不致影響保護電器的正常動作。f. 計量儀表 電能表等計量儀表會因諧波而造成感應轉盤產(chǎn)生額外的電磁轉矩，引起誤差，降低精確度。同時過大的諧波電流，也很容易使儀器里的線圈損壞。g. 電力電子設備 在多種場合，電子設備常會產(chǎn)生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤

26、動作。這種設備靠著準確的電壓零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制或操作。若電壓有諧波成分時，零交叉點移動、波形改變，以致造成很多誤動作。h. 照明設備、通信設備、電視及音響設備、電腦設備、載頻遙控設備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。 由上述可見,變頻器諧波干擾的危害是巨大的，此在電力電子技術中變頻器方面面臨著一個重要的課題，就是如何抑制變頻器的諧波,如何將頻器的諧波干擾危害減少到最小。1.3.3 抑制諧波干擾的對策針對諧波的傳播途徑，解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻電流濾掉或者隔離；解決輻射的干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。而這通常又分為在變頻器輸入側和輸出側

27、的對策。在防止輸出側諧波干擾的對策中，其中一種很重要很有發(fā)展前途的是脈寬調(diào)制型（PWM）方法，而無差拍控制法作為一種優(yōu)良的PWM方法， 由于其具有瞬時響應快、精度高、THD小等特點，被公認為一種優(yōu)秀的控制策略。當其應用在變頻器諧波抑制方面時更有減小諧波失真，降低逆變器損耗等優(yōu)點，因而成為研究的熱點。而先前的研究大都只涉及了純電阻負載的情形，在此我們對不同性質(zhì)負載下無差拍控制法在變頻器諧波抑制中的作用進行了仿真研究。第2章 無差拍控制法當無差拍控制法最初被提出來時沒人會想到到它會被運用于逆變器，也沒想到它在變頻器方面有如此大的優(yōu)點。直到1987年，K.P.Gokhale等首先提出了把逆變器無差拍

28、控制法，并充分展示了無差拍控制法在變頻器方面的巨大優(yōu)勢。于是，無差拍控制法在變頻器領域的研究蓬勃開展起來。2.1 脈沖寬度調(diào)制型（PWM）方法說到無差拍控制法不得不提到脈沖寬度調(diào)制型（PWM）方法。為了使輸出電壓和輸出頻率都得到控制，變頻器通常由一個可控整流電路和一個逆變電路組成，控制整流電路以改變輸出電壓，控制逆變電路以改變輸出頻率。這種方式有以下缺點： 輸出電壓為矩形波，其中含有較多的諧波，對負載有不利影響。 用相控的方式來改變中間直流環(huán)節(jié)的電壓，使得輸入功率因素降低。 整流環(huán)節(jié)和逆變電路兩級均采用可控的功率環(huán)節(jié)，較為復雜，也提高了成本。 中間直流環(huán)節(jié)有大電容存在，因此調(diào)節(jié)電壓時慣性較大，

29、響應緩慢。而采用脈沖寬度調(diào)制型變頻電路就可以較好的克服上述缺點，這種電路通常稱之為PWM（Pulse Width Modulation）型變頻電路。PWM控制方式就是在對逆變電路開關器件的通斷時間進行控制的基礎上，使輸出端得到一系列的幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可以改變逆變電路輸出電壓的大小，也可以改變輸出頻率。這種PWM型變頻電路主要有以下特點： 可以得到相當接近正弦波的輸出電壓。 整流電路采用二級管，可獲得接近1的功率因數(shù)。 只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結構較簡單。 通過對輸出脈沖寬度的控制就可以改變輸出電壓，大大

30、加快了變頻器的動態(tài)響應。由于上述原因，在自關斷器件出現(xiàn)并成熟后，PWM控制技術就得到了很快的發(fā)展，PWM型逆變電路獲得了廣泛的應用。現(xiàn)在，PWM控制技術已成為電力電子技術中一個非常重要的組成部分，它對提高電力電子裝置的性能，推動電力電子技術的發(fā)展起著巨大的作用。2.1.1 PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個非常重要的結論：沖量相等而形狀不一樣的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量既指的是窄脈沖的體積。這里所說的效果基本相同，指的是環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如把各輸出波形用傅氏變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。上述結論是PWM控制的重要理論基礎。下面來

31、分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖來代替一個正弦波。我們可以把一個正弦半波波形分成N等份，就可以把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等/N，但幅值不相等，并且脈沖頂部都不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列來代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（沖量）相等，就可以等到PWM波形的脈沖序列。由此可以得出，PWM波形的各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。在

32、PWM波形中。各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。上面說明了PWM控制的基本原理。按照上述原理，在給出了正弦波的頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確的計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。但是，這種，這種方法是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值等變化時，結果都要變化。較為實用的方法是采用調(diào)制的方法 ，即把希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。2.1.2 PWM型逆變電路的控制方式在PWM型逆變電路中，載波頻率與調(diào)制信

33、號頻率之比N= ，稱之為載波比。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM逆變電路又可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。(一) 異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不保持同步關系的調(diào)制方式稱為異步方式。在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時，通常保持載波頻率固定不變，因而載波比N也是變化的。這樣，在調(diào)制信號的半個周期內(nèi)，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，同時，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當調(diào)制信號頻率較低時，載波比N較大，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱的影響都比較小，輸出波形接近正弦波。當調(diào)制信號頻率增高時，載

34、波比N就減小，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動。同時，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出環(huán)節(jié)變壞。對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調(diào)制方式時，應希望提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，改善輸出特性。 (二) 同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式成為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時載波比N不變。調(diào)制信號半個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相PWM逆變電路中，通常公用一個三角波載波信號，且取載波比N為3的整數(shù)倍，以使

35、三相輸出波形嚴格對稱，同時，為了使一相的波形正負半周對稱，N應取為奇數(shù)。當逆變電路輸出頻率很低時，因為在半個周期內(nèi)輸出脈沖的數(shù)目是固定的，所以由PWM調(diào)制而產(chǎn)生的附近的諧波頻率也相應降低。這種頻率較低的諧波通常不易濾除，如果負載為電動機，就會產(chǎn)生較大的轉矩脈動和噪聲，給電動機的正常工作帶來了不利影響。同步調(diào)制方式相對于異步調(diào)制方式來說要復雜一些，但使用微機控制時還是比較容易實現(xiàn)的。也有的電路在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這種方式可把兩者的優(yōu)點結合起來，在有些場合應用比較廣泛。2.2 無差拍控制的涵義無差拍控制法本質(zhì)上和PWM方法是一致的，其實它就是一種特殊的P

36、WM方法。其基本原理、控制方式都和PWM方法大同小異，但是它也有自己的特點，淺述如下。無差拍控制就是根據(jù)系統(tǒng)方程及狀態(tài)反饋實時計算出本節(jié)拍所需要的輸出，其突出的優(yōu)點是動態(tài)響應快，但當系統(tǒng)動態(tài)響應過快時會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，其計算的實時性強，但對硬件的要求高，且其所要求的模型必須相當精確。它就是一種在電流滯環(huán)比較控制技術基礎之上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術，利用前一時刻的電流參考值和各種開關狀態(tài)下變流器的電流輸出值，選擇某種開關模式作為下一時刻的開關狀態(tài)，從而達到電流誤差等于零的目標。這種方法與傳統(tǒng)的PWM方法相比，由于脈沖寬度由控制方程根據(jù)逆變器當前的電路狀態(tài)實時確定，因而具有更優(yōu)越的動態(tài)性能。無

37、差拍控制逆變器負載適應能力強，對負載切換造成的過渡過程短，對非線性負載輸出諧波失真小。它的另一優(yōu)點是對逆變器輸出波形的相位加以控制而不受仿真的影響，從而為多路逆變器對負載的并聯(lián)供電創(chuàng)造了條件。2.3 不同性質(zhì)下無差拍控制方程及其推導下面就以單相全橋逆變電路為例，具體的推導一下不同性質(zhì)負載下無差拍控制PWM逆變器的方程。圖2-1示出了單相全橋逆變電路的原理圖，圖中in是逆變橋輸出的方波脈沖序列。每一方波位于取樣周期的中心，形式如圖2-2所示。in只能取+E、0、-E三種值，其中E是逆變橋直流輸入電壓。SA1、SA2、SA3、SA4為逆變橋。其基本的控制方法就是在每個控制周期內(nèi), 根據(jù)參考電壓和采

38、樣得到的u、的值, 實時計算出所需的Ton , 并給出開關控制信號以實現(xiàn)此Ton , 從而使負載上的輸出電壓盡可能跟蹤參考電壓. 參考電壓信號是正弦波, 把每個周期的參考信號進行N等分, 每一份就是一個控制周期T。而逆變器無差拍控制的思路就是通過電路理論求得決定脈寬的控制方程，并借助微處理器進行脈寬計算使逆變器輸出接近理想的正弦波形。圖2-1 單相全橋逆變電路原理圖 圖2-2 取樣形式在純電阻負載時，根據(jù)文獻6推導的無差拍控制方程如式（2.1）所示。下面我們就式（2.1）好好分析一下。 （2.1）式中 第K個取樣周期開始時刻電容電壓 取樣周期末尾時的值式（2.1）表明，若測得取樣周期起始時刻電

39、容電壓（也就是負載電壓）及流過電容電壓（），那么適當?shù)倪x擇在第K個取樣周期的電壓方波寬度與極性就可以使取樣周期末尾時刻負載上的電壓等于輸出參考波形在該時刻的值。每一采樣周期用式（2.1）對逆變橋輸出方波脈沖的極性和寬度進行調(diào)節(jié)，即可以在純電阻負載上獲得失真小的正弦電壓。這就是無差拍控制方法。無差拍控制是一種基于電路的控制方法，因而在不同性質(zhì)負載下得到的控制方程是不一樣的。容性負載可等效為電阻和電容并聯(lián)，因而其控制方程與式（2.1）一樣，只是式（2.1）中C包含了濾波電容與負載并聯(lián)電容，而感性負載的控制方程需另行推導。三種情況下圖形如下：(a) (b) (c)圖2-3 負載的種類(a) 阻性(b

40、) 容性(c) 感性下面接著推導感性負載控制方程，其精度可根據(jù)需要任意取舍。因為逆變橋部分是相同的，因而在此無需贅述，不同的部分只是右側的部分。對感性負載方程進行推導時我們可利用原來學習過的電路知識與高數(shù)、復變知識等來實現(xiàn)設計目的。圖2-4是逆變橋右側的濾波器與感性負載電路部分，圖中為濾波電感，為負載電感，C為濾波電容，R為負載電阻，是逆變橋輸出的PWM脈沖序列，形式如圖2-2。圖2-4 濾波器與感性負載電路圖2-4 的電路方程為：（2.2）（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）（2.7） 將式（2.2）（2.4）進行拉氏變換 式中 分別為經(jīng)拉氏變換后在復頻域中的對應量分別為在取樣周期的起始

41、時刻值S為復頻率是圖2-2中所示取樣周期內(nèi)方波脈沖的拉氏變換，其近似式為 （2.8） 式中 T為取樣周期 E為逆變橋輸入直流電壓 為方波脈沖寬度從式（2.5）（2.7）中消去得到： （2.9） 用泰勒級數(shù)展開，取到三次項，再進行拉氏反變換，求得取樣周期T后的值為 （2.10）式（2.10）即為感性負載的控制方程。只要測得取樣周期初始時刻的，便可以用式（2.10）求使落到參考波上。由此也可推得容性負載的無差拍控制方程為： （2.11） 為容性負載的電容分量，其它都同上。用上述方法對文獻6的純電阻負載控制方程進行修正，得到圖2-1所示純電阻負載逆變器精度更高的控制方程為： （2.12）式中 分別為

42、濾波電容電壓、濾波電感電流在取樣周期初始時刻的值濾波電容電壓在取樣周期末尾時刻的值T取樣周期L純電阻負載時的濾波電感C濾波電容R負載電阻E逆變橋輸入直流電壓再此方程下，方程精度提高，能有效的抑制輸出諧波，在非線性負載下，這一點尤其明顯。第3章 優(yōu)秀的仿真軟件MATLAB下面我們就無差拍控制法在變頻器諧波抑制中的應用進行MATLAB仿真研究。研究以單相全橋逆變電路來舉一反三，本文的結果同樣也可以推廣到半橋或是三相的情況。研究前有必要把優(yōu)秀的仿真軟件MATLAB介紹一下，讓大家有個基本的了解。 MATLAB 產(chǎn)品家族是美國Math Works公司開發(fā)的用于概念設計，算法開發(fā)，建模仿真，實時實現(xiàn)的理

43、想的集成環(huán)境。由于其完整的專業(yè)體系和先進的設計開發(fā)思路，使得 MATLAB 在多種領域都有廣闊的應用空間，特別是在MATLAB 的主要應用方向 科學計算、建模仿真以及信息工程系統(tǒng)的設計開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的首選設計工具，全球現(xiàn)有超過五十萬的企業(yè)用戶和上千萬的個人用戶，廣泛的分布在航空航天，金融財務，機械化工，電信，教育等各個行業(yè)。3.1 MATLAB簡介MATLAB是英文Matrix Laboratory(矩陣實驗室)的縮寫。MATLAB語言的首創(chuàng)者Cleve Moler教授在數(shù)值分析，特別是在數(shù)值線性代數(shù)的領域中很有影響，他參與編寫了數(shù)值分析領域一些著名的著作和兩個重要的Fortran程序E

44、ISPACK和LINPACK。他曾在密西根大學、斯坦福大學和新墨西哥大學任數(shù)學與計算機科學教授。1980年前后，當時的新墨西哥大學計算機系主任Moler 教授在講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)了用其他高級語言編程極為不便，便構思并開發(fā)了MATLAB(MATrix Laboratory，即矩陣實驗室)，這一軟件利用了當時數(shù)值線性代數(shù)領域最高水平的EISPACK和LINPACK兩大軟件包中可靠的子程序，用Fortran語言編寫了集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。所謂交互式語言，是指人們給出一條命令，立即就可以得出該命令的結果。該語言無需像C和Fortran語言那樣，首先要求使用者去編寫源程序

45、，然后對之進行編譯、連接，最終形成可執(zhí)行文件。這無疑會給使用者帶來了極大的方便。早期的MATLAB是用Fortran語言編寫的，只能作矩陣運算；繪圖也只能用極其原始的方法，即用星號描點的形式畫圖；內(nèi)部函數(shù)也只提供了幾十個。但即使其當時的功能十分簡單，當它作為免費軟件出現(xiàn)以來，還是吸引了大批的使用者。CleveMoler和JohnLittle等人成立了一個名叫TheMathWorks的公司，CleveMoler一直任該公司的首席科學家。該公司于1984年推出了第一個 MATLAB 的商業(yè)版本。當時的MATLAB版本已經(jīng)用C語言作了完全的改寫，其后又增添了豐富多彩的圖形圖像處理、多媒體功能、符號運

46、算和它與其他流行軟件的接口功能，使得MATLAB的功能越來越強大。The MathWorks 公司于1992年推出了具有劃時代意義的MATLAB 4.0版本，并于1993年推出了其微機版,可以配合Microsoft Windows一起使用，使之應用范圍越來越廣。1994年推出的4.2版本擴充了4. 版本的功能，尤其在圖形界面設計方面更提供了新的方法。1997年推出的MATLAB5.0版允許了更多的數(shù)據(jù)結構，如單元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結構體、多維矩陣、對象與類等，使其成為一種更方便編程的語言。1999年初推出的MATLAB5.3版在很多方面又進一步改進了MATLAB語言的功能。2000年10月底推出了其全

47、新的MATLAB6.0正式版(Release 12)，在核心數(shù)值算法、界面設計、外部接口、應用桌面等諸多方面有了極大的改進。新的版本集中了日常數(shù)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項工作。 MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結構是矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明。與利用c語言或其它語言作數(shù)值計算的程序設計相比，利用MATLAB可以節(jié)省大量的編程時間。MTALAB系統(tǒng)由五個主要部分組成，下面分別加以介紹。 (1)MATLAB

48、語言體系 MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語言，具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱。包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。 (3)圖形對象系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GU

49、I應用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。 (5)MATLAB應用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用C程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 由此可以看出MATLAB是一個功能十分強大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境。除此之外，MATLAB還具有很強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務。用戶可以根據(jù)

50、自己的工作任務，開發(fā)自己的工具箱。雖然MATLAB語言是計算數(shù)學專家倡導并開發(fā)的，但其普及和發(fā)展離不開自動控制領域?qū)W者的貢獻。甚至可以說，MATLAB語言是自動控制領域?qū)W者和工程技術人員捧紅的，因為在MATLAB語言的發(fā)展進程中，許多有代表性的成就和控制界的要求與貢獻是分不開的。迄今為止，大多數(shù)工具箱也都是控制方面的。MATLAB具有強大的數(shù)學運算能力、方便實用的繪圖功能及語言的高度集成性，它在其他科學與工程領域的應用也是越來越廣，并且有著更廣闊的應用前景和無窮無盡的潛能。子曰：“工欲善其事，必先利其器”。如果有一種十分有效的工具能解決在教學與研究中遇到的問題，那么MATLAB語言正是這樣的一

51、種工具。它可以將使用者從繁瑣、無謂的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多地花在解決問題中，這樣無疑會提高工作效率。目前，MATLAB已經(jīng)成為國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應用前景的全新的計算機高級編程語言了，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色。MATLAB語言的功能也越來越強大，不斷適應新的要求提出新的解決方法?？梢灶A見，在科學運算、自動控制與科學繪圖領域MATLAB語言將長期保持其獨一無二的地位。3.2 MATLAB的特色在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具

52、箱是整個體系的基座，它是一個語言編程型（M語言）開發(fā)平臺，提供了體系中其它工具所需要的集成環(huán)境（比如M語言的解釋器）。同時由于MATLAB對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具有強大的數(shù)學計算能力。 MATLAB (MATrix LABoratory)具有用法簡易、可靈活運用、程式結構強又兼具延展性。以下為其幾個特色： 功能強的數(shù)值運算 - 在MATLAB環(huán)境中，有超過500種數(shù)學、統(tǒng)計、科學及工程方面的函數(shù)可使用，函數(shù)的標示自然，使得問 題和解答像數(shù)學式子一般簡單明了，讓使用者可全力發(fā)揮在解題方面，而非浪費在電腦操作上。 先進的資料視覺化功能 - MATLAB的物件導向圖形架構讓使用者可執(zhí)

53、行視覺數(shù)據(jù)分，并制作高品質(zhì)的圖形，完成科學性或工程 性圖文并茂的文章。 高階但簡單的程式環(huán)境 - 做為一種直譯式的程式語言，MATLAB容許使用者在短時間內(nèi)寫完程式，所花的時間約為用 FORTRAN 或 C 的幾分之一，而且不需要編譯(compile)及聯(lián)結 (link) 即能執(zhí)行，同時包含了更多及更容易使用的內(nèi)建功能。 開放及可延伸的架構 - MATLAB容許使用者接觸它大多數(shù)的數(shù)學原使碼，檢視運算法，更改現(xiàn)存函數(shù)，甚至加入自己的函數(shù)使 MATLAB成為使用者所須要的環(huán)境。 豐富的程式工具箱 - MATLAB的程式工具箱融合了套裝前軟體的優(yōu)點，與一個靈活的開放但容易操作之環(huán)境，這些工具箱提

54、供了使用者在特別應用領域所需之許多函數(shù)。現(xiàn)有工具箱有：符號運算（利用Maple V的計算核心執(zhí)行）、影像處理、統(tǒng)計分析、訊號處理、神經(jīng)網(wǎng)路、模擬分析、控制系統(tǒng)、即時控制、系統(tǒng)確認、強建控 制、弧線分析、最佳化、模糊邏輯、mu分析及合成、化學計量分析。MATLAB產(chǎn)品體系的演化過程經(jīng)過了很多的改進,但其最重要的一個體系變更是引入了Simulink，用來對動態(tài)系統(tǒng)建模仿真。其框圖化的設計方式和良好的交互性，對工程人員本身計算機操作與編程的熟練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術的創(chuàng)新上去。針對控制邏輯的開發(fā)，協(xié)議棧的仿真等要求，MathWorks公司在Simulink平臺上

55、還提供了用于描述復雜事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為的建模仿真工具 Stateflow，通過Stateflow，用戶可以用圖形化的方式描述事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為，并無縫的結合到Simulink的動態(tài)系統(tǒng)仿真中。在MATLAB/Simulink基本環(huán)境之上，MathWorks公司為用戶提供了豐富的擴展資源，這就是大量的Toolbox和Blockset。從1985年推出第一個版本以后的近二十年發(fā)展過程中，MATLAB已經(jīng)從單純的Fortran數(shù)學函數(shù)庫演變?yōu)槎鄬W科、多領域的函數(shù)包，模塊庫的提供者。用戶在這樣的平臺上進行系統(tǒng)設計開發(fā)就相當于已經(jīng)站在了巨人的肩膀上，眾多行業(yè)中的專家、精英們的智慧結晶可以信手拈來

56、。同時，MATLAB開放的體系結構允許用戶在平臺上進行自由擴展，目前在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大量的商業(yè)的或者免費的MATLAB二次開發(fā)產(chǎn)品發(fā)布（比如FEMLAB和PSS）。換句話說，用戶購買一套MATLAB，獲得的是世界范圍的專家支持。而對于用戶自己開發(fā)的算法包，MATLAB也提供了包括Compiler應用發(fā)布和Web網(wǎng)絡發(fā)布在內(nèi)的眾多方式的發(fā)布途徑，使得用戶一方面能夠充分地利用MATLAB的算法資源形成技術成果，同時又可以有效的保護自己的知識產(chǎn)權。在這樣一個產(chǎn)品體系中，我們可以看到，由于MATLAB具有極其豐富的Toolbox資源的支持，使得用戶可以方便的進行具有開創(chuàng)性的建模與算法開發(fā)工作，并通過MATLAB強大的圖形和可視化能力反映算法的性能和指標。所得到的算法則可以在Simulink環(huán)境中以模塊化的方式實現(xiàn)，通過全系統(tǒng)建模，進行全系統(tǒng)的動態(tài)仿真以得到算法在系統(tǒng)中的動態(tài)驗證。隨著MATLAB在行業(yè)內(nèi)影響力的快速擴大，與MathWorks公司形成戰(zhàn)略聯(lián)合的公司和尋求與MATLAB進行接口的軟硬件產(chǎn)品的也日益增多。目前MATLAB所支持的第三方產(chǎn)品已經(jīng)有三百余種，分布在科學計算、機械動力學設計、化工、信息工程，汽車、金融財務等各個學科領域，接口方式包括聯(lián)合建模、