變頻器電流跟蹤PWM控制

1、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(kāi)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(lái)調(diào)制等腰三角波，稱(chēng)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(lái)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。目錄摘要I1

2、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)41 系統(tǒng)組成框圖41 電流滯環(huán)跟蹤控制原理51 滯環(huán)寬度分析61 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9仿真軟件介紹9單相電流跟蹤控制逆變器仿真9三相電流跟蹤滯環(huán)控制仿真12仿真結(jié)果分析164.總結(jié)16參考文獻(xiàn)171設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(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)o利用Matlab/Simulink對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行

3、仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。任務(wù)要求(1)主電路選擇、參數(shù)計(jì)算及器件選型。(2)控制電路選擇、參數(shù)計(jì)算及器件選型。(3)運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真，校驗(yàn)2總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成框圖(1)三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖2.1圖2.1三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定顯示摟口單片機(jī)電流(2)主電路采用父直父結(jié)構(gòu)如下圖2.2圖2.2交直交結(jié)構(gòu)主電路UVw圖2.3三相電流跟蹤型PWM逆變電路(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(guò)Ip,最高工作頻率達(dá)4050kHz

4、,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(lái)控制它產(chǎn)生觸發(fā)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT。如圖2.4。電流滯環(huán)跟蹤控制原理現(xiàn)在以A相電流滯環(huán)跟蹤控制為例，其控制結(jié)構(gòu)圖如下圖2.4。圖2.4電流跟蹤控制A相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(guò)加.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(kāi)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(kāi)關(guān)器件VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，使實(shí)

5、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，VTi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(kāi)關(guān)器件VTi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(guò)程重復(fù)進(jìn)行，這樣交替工作，實(shí)際電流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。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2.5。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(xiàn)中的一小部分，

6、其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。(2)電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系如圖2.6圖2.6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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率f越高，實(shí)際電流值越接近給定電流，此時(shí)電流追蹤性能越好圖2.7三相電流跟蹤型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(shuō)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(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開(kāi)關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分

7、量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。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高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但受功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開(kāi)關(guān)頻率，但這樣對(duì)電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。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(jiǎn)單；(2)屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流反應(yīng)快；(3)不需要載波，

8、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(kāi)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)跟蹤控制的simulink的仿真仿真軟件介MATLAB介紹MATLAB是由美國(guó)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(xiàn)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(yǔ)言(如C、F

9、ortran)的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB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)插函數(shù)的性能MATLABCompiler:可以下載MATLABCompilerRuntime(MCR),簡(jiǎn)化編譯后的程序和組件的分發(fā)ImageProcessingToolbo:通過(guò)亮度指標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行自動(dòng)圖像配準(zhǔn)StatisticsToolbox:增強(qiáng)了使用線(xiàn)性、廣義線(xiàn)性和非線(xiàn)性回歸進(jìn)行擬合、預(yù)測(cè)和繪圖的界面SystemIdentificationToolbo:識(shí)別連續(xù)時(shí)間傳遞函數(shù)單相電流跟蹤控制逆變器仿真為驗(yàn)證上述原理，先做單相。單相跟蹤控

10、制逆變器仿真模型如圖3.1。UniversalBridgepcKWgrgui圖3.1單相跟蹤控制逆變器仿真模型圖3.2電流給定值圖3.3電流輸出值圖3.4輸出電壓三相電流跟蹤滯環(huán)控制仿真(1)仿真模型如下圖3.6。(2)由圖3.6,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(kāi)關(guān)變量sinWavel、sinWave2、sinWave3,以控制橋臂上下開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。給定的正弦信號(hào)，具幅值為20A,頻率為50Hz,相位互差2冗/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00(3)圖3.7是電流

11、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。Discretsj=2e-00fe圖3.6三相電流滯環(huán)控制仿真模型圖3.7逆變器子模塊逆變器模型各參數(shù)如下表3-1所示：表3-1跟蹤控制逆變器模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)值直流電源DCAmplitude/V100阻感模塊RLResistance/Q0.5Inductance/H0.005正弦波模塊sinewaveAmplitude20Frequence/(red/s)2*pi*50LT1SourceRlculcPsiir部Sic:abf?Frmcl:ioTtSineWaveOutputnsinewave:lt=Ampta5in(

12、Freq+Fhase+Bias.，,"出.，,一，.一山-.一,，I-I-.-13Samplesperperiod2Kpi/(Frequerncy*£annpllebimeNumberofoffsetsampJIes=PhaisewSamplerperpedod/(2Hpi)Usethesample-basedsinetjpeitnumericalproblemrsduetorunningforlargetimesfe.g.overfl&wmabsolulelime)oecuir.圖3.8給定正弦波參數(shù)圖3.9滯環(huán)控制H參數(shù)設(shè)置仿真之后得到下列波形，如下圖3.11到

13、3.16:圖3.11三相電流給定值圖3.12三相電流跟蹤逆變器電流波形打圖3.13A相電壓輸出3.4仿真結(jié)果分析通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真，由仿真結(jié)果可見(jiàn)，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(jiǎn)單，可以取代傳統(tǒng)的SPWM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(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)本

14、設(shè)計(jì)完成了題目要求的基本部分的全部要求。發(fā)揮部分的因?yàn)闀r(shí)間和制作材料的短缺而沒(méi)有進(jìn)行嘗試，在今后條件允許的情況下再擴(kuò)展?；静糠指鲉卧ぷ鞣€(wěn)定。通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我學(xué)會(huì)如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新，是要我們學(xué)會(huì)將理論很好地聯(lián)系實(shí)際，并不斷地去開(kāi)動(dòng)自己的大腦，從為人類(lèi)造福的意愿出發(fā)，做自己力所能及的，別人卻沒(méi)想到的事。使之不斷地戰(zhàn)勝別人，超越前人。同時(shí)，更重要的是，我在這一設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持不懈，不輕易言棄。設(shè)計(jì)過(guò)程，也好比是我們?nèi)祟?lèi)成長(zhǎng)的歷程，常有一些不如意，也許這就是在對(duì)我們提出了挑戰(zhàn)，勇敢過(guò)，也戰(zhàn)勝了，勝利的鐘聲也就一定會(huì)為我們而敲響。這次的課程設(shè)計(jì)讓我了解

15、到了MATLAB這個(gè)軟件強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算能力，讓我掌握了MATLAB簡(jiǎn)單易用的編程語(yǔ)言，讓我體驗(yàn)到了MATLAB友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境。這個(gè)的課程設(shè)計(jì)讓我了解了MATLAB的一般操作步驟，能比較熟練地運(yùn)用MATLAB對(duì)電路原理中的一些問(wèn)題進(jìn)行仿真，并能夠用一些簡(jiǎn)單的畫(huà)圖函數(shù)生成仿真的圖像。通過(guò)了本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了使用simulink來(lái)解決一些電力電子仿真，一道很基礎(chǔ)簡(jiǎn)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(lái)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，通過(guò)simulink仿真可以很快的知道結(jié)果，同時(shí)可以對(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，