變頻器電流跟蹤PWM控制設(shè)計與仿真

1、 課程設(shè)計報告書課程設(shè)計報告書 題 目：變頻器電流跟蹤 PWM 控制設(shè)計與仿真學生姓名：學 號：所在學院：專業(yè)班級：指導教師：起止時間：0目 錄前言 .11 設(shè)計任務(wù)和要求 .31.1 設(shè)計任務(wù).31.2 任務(wù)要求 .32 總體設(shè)計 .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 .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： .161變頻器電流跟蹤 PWM 控制設(shè)計與仿真 摘 要: 脈沖寬度調(diào)

2、制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進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，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。PWM 是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，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)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼?，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，使實際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波。本設(shè)計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，使實際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波。最后利用利用 MATLAB/SIMULINK 對整個系統(tǒng)進行仿真，并

5、對仿真結(jié)果進行分析。關(guān)鍵詞: 異步電機；電流控制； 脈寬調(diào)制； CFPWM皖西學院課程設(shè)計報告書2前言課程設(shè)計的目的是為了讓學生熟悉電機相關(guān)的基礎(chǔ)知識及電力拖動的相關(guān)概念，并利用小型的控制系統(tǒng)對電機傳動與控制課理論知識的再現(xiàn)，讓學生體會電機在小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用的廣泛性，為今后實際工程中應(yīng)用的廣泛性，為今后實際工程中應(yīng)用電機奠基基礎(chǔ)。1 設(shè)計任務(wù)和要求1.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一通用型變頻器的主電路和控制電路組成系統(tǒng)，對異步電機進行變頻調(diào)速，完成變頻器主電路設(shè)計，主電路可選用交-直-交結(jié)構(gòu)，進行參數(shù)計算和器件選型。完成變頻器控制電路設(shè)計，對逆變部分控制方式采用電流跟蹤控制(CFPWM)。利用MATLA

6、B/SIMULINK 對整個系統(tǒng)進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析。1.2 任務(wù)要求 （1）變頻器所帶的異步電機負載技術(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，主電路可選用交-直-交結(jié)構(gòu)，進行參數(shù)計算和器件選型。 （3）完成變頻器控制電路設(shè)計，對逆變部分控制方式采用電流跟蹤控制（CFPWM）,采用模擬器件實現(xiàn) ，采用單片機實現(xiàn)。 （4）頻率變化范圍 2-50HZ 連續(xù)可調(diào)，動態(tài)響應(yīng)快。 （5）采用 Matlab/Simulink 對整個系統(tǒng)進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析。3皖西學院課程設(shè)計報告書42 總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)組成框圖1)三相異

7、步電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 圖1 三相異步電機調(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控制EXB841驅(qū)動芯片驅(qū)動IGBT，芯片EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驅(qū)動模塊，整個電路延遲時間不超過Ip，最高工作頻率達4050kHz，它只需外部提供一個+20V單電源，內(nèi)部產(chǎn)生一個-5V反偏壓，模塊采用高速光藕隔離且有短路保護和慢速關(guān)斷功能，利用單片機控制來控制它產(chǎn)生觸發(fā)脈沖來驅(qū)動IGBT。 皖西學院課程設(shè)計報告書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進行比較，電流偏差ia 超過0.5h 時，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)器件動作。設(shè)比較器的滯環(huán)寬度為h，當輸出電流i*a比給定電流ia大時，且誤差大于0.5h時，滯環(huán)比較器輸出負電平，驅(qū)動開關(guān)器件VT1關(guān)斷，VT2導通，使實際電流減小。當減小到與給定電流相等時，滯環(huán)比較器仍保持負電平輸出，VT1保持關(guān)斷，實際電流繼續(xù)減小，直到誤差大于0.5h時，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，輸出正電平信號，開關(guān)器件VT1導通，VT2關(guān)斷，使實際電流增大，一直增大到帶寬的上限。以上過程重復進行，這樣交替工作，實際電流

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?，在半個周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動變化，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)和電機的反電動勢有關(guān)。7圖 4 電流滯環(huán)跟蹤控制時的電流波形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，實際電流

10、值越接近給定電流，此時電流追蹤性能越好。皖西學院課程設(shè)計報告書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)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，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。這是一對矛盾的因素，實用中，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)跟蹤控制的特點電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度

11、高，響應(yīng)快，且易于實現(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。為了克服這個缺點，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，但這樣對電流波形都會產(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：（1）硬件電路簡單；（2）屬于實時控制方式，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）和計算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時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。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)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(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)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。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：通過亮度指標優(yōu)化進行自動圖像配準Statistics Toolbox：增強了使用線性、廣義線性和非線性回歸進行擬合、預(yù)測和繪圖的界面System Identification Toolbo：識別連續(xù)時間傳遞函數(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)皖西學院課程設(shè)計報告書10器件的導通和關(guān)斷。給定的正弦信號，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，當比較器的輸入大于正的閥值時，比較器輸出為 1；小于負的閥值時，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)皖西學院課程設(shè)計報告書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 電流波形皖西學院課程設(shè)計報告書143.3 仿真結(jié)果分析通過 MATLAB/SIMULINK 進行了仿真，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)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，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。這是一對矛盾的因素，實用中，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，我學會了使用 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，讓我對一款很軟件有了一個比較系統(tǒng)的認識，這對我以后的學習和研究會產(chǎn)生很好的影響。本來一個復雜的系統(tǒng)，通過 simulink 仿真可以很快的知道結(jié)果，同時可

17、以對系統(tǒng)的一些參數(shù)進行調(diào)節(jié)可以得到跟好的仿真結(jié)果，這對研究復雜系統(tǒng)起到了很好的輔助作用，對復雜系統(tǒng)參數(shù)的選定也起到了很大的作用。這一切都讓我對這款軟件產(chǎn)生了極高的好感?？偠灾刮覍?MATLAB 有了更加深入的理解，它在自動化等電子專業(yè)中的應(yīng)用是如此廣泛，而對于本專業(yè)來說更是一個不可或缺的工具。我相信，通過對MATLAB 的加強學習對以后專業(yè)知識的學習一定有更加大的幫助。15參考文獻：1 陳伯時 主編電力拖動控制系統(tǒng)（第 3 版） 北京：機械工業(yè)出版社，2010.2 黃忠霖 黃京 控制系統(tǒng) MATLAB 計算機及仿真（第 3 版）北京：國防工業(yè)出版社，2009.3 王兆安 劉進軍 主編 電

18、力電子技術(shù)（第 5 版）北京：機械工業(yè)出版社，2009.4 劉衛(wèi)國 主編 MATLAB 程序設(shè)計與應(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，電機控制系統(tǒng)的建模和仿真北京：機械工業(yè)出版社，2002.6 辜承林 陳喬夫 熊永前電機學（第 3 版）武漢：華中科技大學出版社 ，2009.皖西學院課程設(shè)計報告書16致謝：致謝： 在設(shè)計過程中，我們通過查閱大量有關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，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 日下達任務(wù)書，任務(wù)布置及設(shè)計要求說明 月 日 月 日文獻追蹤、調(diào)研,方案設(shè)計; 月 日 月 日系統(tǒng)設(shè)計 月 日 月 日仿真、調(diào)試及設(shè)計報告初稿撰寫 月 日 月 日答辯、成績考核皖西學院課程設(shè)計報告書1819電氣與電