變頻器電流跟蹤PWM控制設(shè)計(jì)與仿真

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 題 目：變頻器電流跟蹤 PWM 控制設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：所在學(xué)院：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：0目 錄前言 .11 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 .31.1 設(shè)計(jì)任務(wù).31.2 任務(wù)要求 .32 總體設(shè)計(jì) .42.1 系統(tǒng)組成框圖 .42.2 電流滯環(huán)跟蹤控制原理 .62.3 滯環(huán)寬度分析 .62.4 電流滯環(huán)跟蹤控制的特點(diǎn) .83 電流的滯環(huán)跟蹤控制的SIMULINK的仿真 .93.1 仿真軟件介紹 .93.2 三相電流跟蹤滯環(huán)控制仿真 .93.3 仿真結(jié)果分析 .154 總結(jié) .15參考文獻(xiàn)： .161變頻器電流跟蹤 PWM 控制設(shè)計(jì)與仿真 摘 要: 脈沖寬度調(diào)

2、制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈寬調(diào)制是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了 PWM 型，還有 PFM 型和 PWM、PFM 混合型。脈寬調(diào)制式開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。PWM 是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)

3、。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼?，F(xiàn)代變頻器中用得最多的是控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（PWM），其基本思想是：控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。傳統(tǒng)的 PWM 技術(shù)是用正弦波來調(diào)制等腰三角波，稱為正脈沖寬度調(diào)制，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了電流跟蹤 PWM（CFPWM)控制技術(shù)。CFPWM 的控制方法是：在原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)

4、控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波。本設(shè)計(jì)中采用得最多的是控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（PWM），其基本思想是：控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。傳統(tǒng)的 PWM 技術(shù)是用正弦波來調(diào)制等腰三角波，稱為正脈沖寬度調(diào)制，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了電流跟蹤 PWM（CFPWM)控制技術(shù)。CFPWM 的控制方法是：在原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波。最后利用利用 MATLAB/SIMULINK 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并

5、對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞: 異步電機(jī)；電流控制； 脈寬調(diào)制； CFPWM皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書2前言課程設(shè)計(jì)的目的是為了讓學(xué)生熟悉電機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)及電力拖動(dòng)的相關(guān)概念，并利用小型的控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)傳動(dòng)與控制課理論知識(shí)的再現(xiàn)，讓學(xué)生體會(huì)電機(jī)在小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用的廣泛性，為今后實(shí)際工程中應(yīng)用的廣泛性，為今后實(shí)際工程中應(yīng)用電機(jī)奠基基礎(chǔ)。1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一通用型變頻器的主電路和控制電路組成系統(tǒng)，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，完成變頻器主電路設(shè)計(jì)，主電路可選用交-直-交結(jié)構(gòu)，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和器件選型。完成變頻器控制電路設(shè)計(jì)，對(duì)逆變部分控制方式采用電流跟蹤控制(CFPWM)。利用MATLA

6、B/SIMULINK 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。1.2 任務(wù)要求 （1）變頻器所帶的異步電機(jī)負(fù)載技術(shù)參數(shù)：UN=380V，IN=1.67A，PN=1.1KW，連續(xù)工作制。 （2）完成變頻器主電路設(shè)計(jì)，主電路可選用交-直-交結(jié)構(gòu)，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和器件選型。 （3）完成變頻器控制電路設(shè)計(jì)，對(duì)逆變部分控制方式采用電流跟蹤控制（CFPWM）,采用模擬器件實(shí)現(xiàn) ，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 （4）頻率變化范圍 2-50HZ 連續(xù)可調(diào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 （5）采用 Matlab/Simulink 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。3皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書42 總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)組成框圖1)三相異

7、步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 圖1 三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框52)主電路采用交直交結(jié)構(gòu)如下圖 圖2 交直交結(jié)構(gòu)主電路3)控制電路采用單片機(jī)控制EXB841驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)IGBT，芯片EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，整個(gè)電路延遲時(shí)間不超過Ip，最高工作頻率達(dá)4050kHz，它只需外部提供一個(gè)+20V單電源，內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)-5V反偏壓，模塊采用高速光藕隔離且有短路保護(hù)和慢速關(guān)斷功能，利用單片機(jī)控制來控制它產(chǎn)生觸發(fā)脈沖來驅(qū)動(dòng)IGBT。 皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書62.2 電流滯環(huán)跟蹤控制原理以 A 相電流滯環(huán)跟蹤控制為例，其控制結(jié)構(gòu)圖如下圖圖 3 電流跟蹤控制 A 相

8、原理圖其中電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為h，將給定電流ia與輸出電流i*a進(jìn)行比較，電流偏差ia 超過0.5h 時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器（HBC）控制逆變器 A 相上、下橋臂的功率開關(guān)器件動(dòng)作。設(shè)比較器的滯環(huán)寬度為h，當(dāng)輸出電流i*a比給定電流ia大時(shí)，且誤差大于0.5h時(shí)，滯環(huán)比較器輸出負(fù)電平，驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，使實(shí)際電流減小。當(dāng)減小到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)比較器仍保持負(fù)電平輸出，VT1保持關(guān)斷，實(shí)際電流繼續(xù)減小，直到誤差大于0.5h時(shí)，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，輸出正電平信號(hào)，開關(guān)器件VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，使實(shí)際電流增大，一直增大到帶寬的上限。以上過程重復(fù)進(jìn)行，這樣交替工作，實(shí)際電流

9、與給定電流的偏差保持在-0.5h-+0.5h 之間，并在給定電流上下作鋸齒狀變化，達(dá)到跟蹤電流的目的。2.3 滯環(huán)寬度分析1)采用電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM波形，如下圖圖中給出了在給定正弦波電流半個(gè)周期內(nèi)的輸出電流波形和相應(yīng)的相電壓波形?？梢钥闯?，在半個(gè)周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動(dòng)變化，不論在的上升段還是下降段，它都是指數(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動(dòng)勢有關(guān)。7圖 4 電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形2)電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系，如下圖 圖 5 電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系3)由上圖可知逆變器的開關(guān)頻率與電流波動(dòng)幅值成反比，即與環(huán)寬成反比， 環(huán)寬越小，開關(guān)頻率f 越高，實(shí)際電流

10、值越接近給定電流，此時(shí)電流追蹤性能越好。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書8圖 6 三相電流跟蹤型 PWM 逆變電路輸出波形4)因此，輸出相電壓波形呈PWM狀，但與兩側(cè)窄中間寬的SPWM波相反，兩側(cè)增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應(yīng)該調(diào)整一下電壓波形。5)電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對(duì)矛盾的因素，實(shí)用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。2.4 電流滯環(huán)跟蹤控制的特點(diǎn)電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度

11、高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但受功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的限制，僅在電機(jī)堵轉(zhuǎn)且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開關(guān)頻率都未得到充分利用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用具有恒定開關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對(duì)電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。9采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM交流電路有以下特點(diǎn)：（1）硬件電路簡單；（2）屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流反應(yīng)快；（3）不需要載波，輸出電壓波形中不含有特定頻率的諧波分量；（4）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量較多；（5）屬于閉環(huán)控制，這是各種跟蹤型PWM交流電路的共同特點(diǎn)。3 電流的滯環(huán)跟蹤控制

12、的 SIMULINK 的仿真3.1 仿真軟件介紹1MATLAB 介紹MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2MATLAB 重要功能MATLAB:統(tǒng)一了用于一維、二維與三維數(shù)值積分的函數(shù)并提升了基本數(shù)學(xué)和內(nèi)插函

13、數(shù)的性能MATLAB Compiler：可以下載 MATLAB Compiler Runtime (MCR)，簡化編譯后的程序和組件的分發(fā)Image Processing Toolbo：通過亮度指標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行自動(dòng)圖像配準(zhǔn)Statistics Toolbox：增強(qiáng)了使用線性、廣義線性和非線性回歸進(jìn)行擬合、預(yù)測和繪圖的界面System Identification Toolbo：識(shí)別連續(xù)時(shí)間傳遞函數(shù)3.2 三相電流跟蹤滯環(huán)控制仿真1) 仿真模型如下圖2) 由圖 7，在電流滯環(huán)跟蹤 PWM 逆變器仿真模型中，給定電流 ia 與輸出電流 i*a 經(jīng)滯環(huán)比較后產(chǎn)生開關(guān)變量 sinWave1、sinWave

14、2、sinWave3，以控制橋臂上下開關(guān)皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書10器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。給定的正弦信號(hào)，其幅值為 20A，頻率為 50Hz，相位互差 2/3，如圖所示 Relay 為滯環(huán)比較器，當(dāng)比較器的輸入大于正的閥值時(shí)，比較器輸出為 1；小于負(fù)的閥值時(shí)，輸出為 0。3) 是電流滯環(huán)跟蹤 PWM 逆變器仿真模型中的子模塊，被封裝 Subsystem 模塊中。圖 7 三相電流滯環(huán)控制仿真模型11圖 8 逆變器子模塊5）逆變器模型各參數(shù)如下表所示4) 模塊5) 參數(shù)名6) 參數(shù)值7) 直流電源 DC8) Amplitude/V9) 10011) Resistance/12) 0.510) 阻感模塊

15、RL13) Inductance/H14) 0.00516) Amplitude17) 2015) 正弦波模塊 sine wave18) Frequence/(red/s)19) 2*pi*50表 跟蹤控制逆變器模型參數(shù)皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書12圖 9 滯環(huán)控制 H 參數(shù)設(shè)置13仿真結(jié)果：圖 10 PWM 電壓波形圖 11 PWM 電流波形圖 11 PWM 電壓波形圖 12 PWM 電流波形皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書143.3 仿真結(jié)果分析通過 MATLAB/SIMULINK 進(jìn)行了仿真，由仿真結(jié)果可見,電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制電流響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)性能好，不用載波，方法簡單，可以取代傳統(tǒng)的 SPWM

16、 電壓型逆變器，用于逆變器的控制系統(tǒng)中。另外，電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對(duì)矛盾的因素，實(shí)用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。4. 總結(jié)通過了本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了使用 simulink 來解決一些電力電子仿真，一道很基礎(chǔ)簡單的電力電子題目，讓我對(duì)一款很軟件有了一個(gè)比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，這對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和研究會(huì)產(chǎn)生很好的影響。本來一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，通過 simulink 仿真可以很快的知道結(jié)果，同時(shí)可

17、以對(duì)系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)可以得到跟好的仿真結(jié)果，這對(duì)研究復(fù)雜系統(tǒng)起到了很好的輔助作用，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)參數(shù)的選定也起到了很大的作用。這一切都讓我對(duì)這款軟件產(chǎn)生了極高的好感?？偠灾刮覍?duì) MATLAB 有了更加深入的理解，它在自動(dòng)化等電子專業(yè)中的應(yīng)用是如此廣泛，而對(duì)于本專業(yè)來說更是一個(gè)不可或缺的工具。我相信，通過對(duì)MATLAB 的加強(qiáng)學(xué)習(xí)對(duì)以后專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)一定有更加大的幫助。15參考文獻(xiàn)：1 陳伯時(shí) 主編電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)（第 3 版） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.2 黃忠霖 黃京 控制系統(tǒng) MATLAB 計(jì)算機(jī)及仿真（第 3 版）北京：國防工業(yè)出版社，2009.3 王兆安 劉進(jìn)軍 主編 電

18、力電子技術(shù)（第 5 版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.4 劉衛(wèi)國 主編 MATLAB 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第 2 版）北京：高等教育出版社，2006.5 洪乃剛 主編 電力電子，電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.6 辜承林 陳喬夫 熊永前電機(jī)學(xué)（第 3 版）武漢：華中科技大學(xué)出版社 ，2009.皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書16致謝：致謝： 在設(shè)計(jì)過程中，我們通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。17 工工 作作 日日 程程日 期主 要 工 作2016 年 12 月 19 日12月 19 日2016 年 12 月 19 日12 月 19 日下達(dá)任務(wù)書，任務(wù)布置及設(shè)計(jì)要求說明 月 日 月 日文獻(xiàn)追蹤、調(diào)研,方案設(shè)計(jì); 月 日 月 日系統(tǒng)設(shè)計(jì) 月 日 月 日仿真、調(diào)試及設(shè)計(jì)報(bào)告初稿撰寫 月 日 月 日答辯、成績考核皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書1819電氣與電