單相Buck型ACAC變換器設(shè)計(jì)與仿真(共49頁(yè))

1、單相Buck型AC/AC變換器設(shè)計(jì)與仿真- PAGE 57 -【摘 要】AC/AC變換器是一種(y zhn)將交流電轉(zhuǎn)化成另一種交流電的裝置，它可以(ky)改變(gibin)輸出交流電的幅值，從而達(dá)到不同負(fù)載的供電需求。在工業(yè)領(lǐng)域一直受到人們的廣泛關(guān)注，隨著近年來電力電子技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)DC/DC變換器拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)直接AC/AC變換成為研究熱點(diǎn)。本文主要研究了以Buck電路為基礎(chǔ)的一種新的單相AC/AC變換器，分析了該電路的工作原理與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)電路的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則；研究了電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值控制方案，該方案對(duì)電源和負(fù)載擾動(dòng)均具有很強(qiáng)的抵制能力和良好的動(dòng)態(tài)特性；在理論分析的基礎(chǔ)

2、上建立了整個(gè)AC/AC變換器的Matlab仿真模型，仿真結(jié)果表明，單相Buck型AC/AC變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，輸出電壓波形良好，精確度高。關(guān)鍵詞：AC/AC 變換器；Buck型；電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值控制；參數(shù)設(shè)計(jì) 【Abstract】AC/AC converter is a kind of device to transform one type of AC to another. With changing the amplitude of the AC, power can be supplied to alternating load. As an important part of

3、power electronics, it has been paid much attention to. The research of direct AC/AC converters derived from DC-DC topologies is a hotspot in recent years.The thesis presents a single phase AC/AC converters based on Buck-type DC-DC topologies. Firstly, the operating principles of the converter is ana

4、lyzed in detail and the rules of parameters design are educed; Secondly, the single-voltage-loop instantaneous control scheme is researched and has excellent performances on resisting the fluctuations of the power supply and load. Finally， the whole AC/AC converter simulation model is established wi

5、th Matlab/Simulink. The simulation result indicates that Buck-type single-phase AC/AC converter is simple and easy to realize. The output voltage has good performance and high precision.Key Words: AC/AC Converter; Buck Type; Single Voltage Loop Instantaneous Control; Parameters Design空一行目錄(ml) TOC o

6、 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388647411 緒論(xln) PAGEREF _Toc388647411 h 1 HYPERLINK l _Toc388647412 1.1本文研究的背景(bijng)意義 PAGEREF _Toc388647412 h 1 HYPERLINK l _Toc388647413 1.2直接(zhji)AC/AC變換器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc388647413 h 1 HYPERLINK l _Toc388647414 1.2.1 可控硅相控變頻器 PAGEREF _Toc388647414 h 1 HYPERLINK

7、l _Toc388647415 1.2.2 具有諧振交流環(huán)節(jié)的AC/AC變換器 PAGEREF _Toc388647415 h 2 HYPERLINK l _Toc388647416 1.2.3 矩陣變換器 PAGEREF _Toc388647416 h 2 HYPERLINK l _Toc388647417 1.2.4 基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器 PAGEREF _Toc388647417 h 2 HYPERLINK l _Toc388647418 1.3基于簡(jiǎn)單拓?fù)涞膯蜗嘀苯覣C/AC變換器拓?fù)?PAGEREF _Toc388647418 h 5 HYPERLINK l _T

8、oc388647419 1.4本文的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc388647419 h 6 HYPERLINK l _Toc388647420 2單相Buck型AC/AC變換器電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc388647420 h 7 HYPERLINK l _Toc388647421 2.1單相Buck型AC/AC變換器工作原理 PAGEREF _Toc388647421 h 7 HYPERLINK l _Toc388647422 2.2單相Buck型AC/AC變換器工作模態(tài) PAGEREF _Toc388647422 h 9 HYPERLINK l _Toc388647423 2.

9、3 單相Buck型AC/AC變換器參數(shù)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc388647423 h 12 HYPERLINK l _Toc388647424 2.3.1 開關(guān)頻率的選擇 PAGEREF _Toc388647424 h 12 HYPERLINK l _Toc388647425 2.3.2 輸出濾波器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc388647425 h 12 HYPERLINK l _Toc388647426 2.4 單相Buck型AC/AC變換器緩沖電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc388647426 h 14 HYPERLINK l _Toc388647427 2.4.1 RCD緩沖電

10、路工作模態(tài) PAGEREF _Toc388647427 h 15 HYPERLINK l _Toc388647428 2.4.2 RCD緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)原則 PAGEREF _Toc388647428 h 17 HYPERLINK l _Toc388647429 2.5 結(jié)論 PAGEREF _Toc388647429 h 20 HYPERLINK l _Toc388647430 3單相Buck型AC/AC變換器控制策略 PAGEREF _Toc388647430 h 21 HYPERLINK l _Toc388647431 3.1單相Buck型AC/AC變換器數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _To

11、c388647431 h 21 HYPERLINK l _Toc388647432 3.2電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值PID控制 PAGEREF _Toc388647432 h 24 HYPERLINK l _Toc388647433 3.3模擬控制器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc388647433 h 25 HYPERLINK l _Toc388647434 3.4數(shù)字控制器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc388647434 h 27 HYPERLINK l _Toc388647435 3.3結(jié)論 PAGEREF _Toc388647435 h 29 HYPERLINK l _Toc388647436 4

12、單相Buck型AC/AC變換器仿真驗(yàn)證 PAGEREF _Toc388647436 h 31 HYPERLINK l _Toc388647437 4.1仿真模型原理 PAGEREF _Toc388647437 h 32 HYPERLINK l _Toc388647438 4.2不同負(fù)載條件下的仿真與分析 PAGEREF _Toc388647438 h 32 HYPERLINK l _Toc388647439 4.2.1 四象限工作的仿真與分析 PAGEREF _Toc388647439 h 32 HYPERLINK l _Toc388647440 3.3.2 輸出電壓過零畸變分析 PAGERE

13、F _Toc388647440 h 34 HYPERLINK l _Toc388647441 4.3參考值跟蹤(gnzng)能力仿真分析 PAGEREF _Toc388647441 h 35 HYPERLINK l _Toc388647442 4.4抗負(fù)載擾動(dòng)能力(nngl)仿真分析 PAGEREF _Toc388647442 h 37 HYPERLINK l _Toc388647443 4.4結(jié)論(jiln) PAGEREF _Toc388647443 h 38 HYPERLINK l _Toc388647444 5 總結(jié) PAGEREF _Toc388647444 h 39 HYPERLI

14、NK l _Toc388647445 5.1結(jié)論 PAGEREF _Toc388647445 h 39 HYPERLINK l _Toc388647446 5.2展望 PAGEREF _Toc388647446 h 40 HYPERLINK l _Toc388647447 致謝 PAGEREF _Toc388647447 h 41 HYPERLINK l _Toc388647448 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc388647448 h 42緒論(xln)1.1本文(bnwn)研究的背景意義在電力電子變換技術(shù)中，電磁變壓器一直在實(shí)現(xiàn)交流電壓變換中起著舉足輕重的作用，廣泛應(yīng)用于船舶、航天、工業(yè)

15、和生活中,主要實(shí)現(xiàn)電壓變換與電氣隔離等功能(gngnng)。但電磁變壓器（尤其是低頻電磁變壓器）體積大、重量大、噪音大、無穩(wěn)壓功能、對(duì)非線性負(fù)載(如典型的二極管整流、電容濾波電路)供電時(shí)諧波污染電網(wǎng)現(xiàn)象無法抑制,日益無法滿足電氣設(shè)備體積小、重量輕的發(fā)展趨勢(shì)。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，功率變換技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交流電壓的變換，甚至在某些場(chǎng)合可以完全取代電磁變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換的功能。而AC/AC變換器就是功率變換技術(shù)近年來發(fā)展的一個(gè)典型實(shí)例，AC/AC變換器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將某一頻率和幅值的交流電能轉(zhuǎn)換成同一或另一頻率和幅值的交流電能的一種變流裝置1。按照中間有無直流變換環(huán)節(jié)，AC/AC

16、變換器可分為直接AC/AC變換器（AC-AC）和間接AC/AC變換器（AC-DC-AC）兩大類，其中直接 AC/AC 功率變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率器件少、控制策略簡(jiǎn)單，成為目前AC/AC變換器研究的一個(gè)重要方向。1.2直接AC/AC變換器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀直接AC/AC變換器主要可分為可控硅相控變頻器、具有諧振交流環(huán)節(jié)的AC/AC變換器、矩陣變換器和基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器等幾類，其中最后一種類型變換器的近年來得到了研究人員的廣泛重視。1.2.1 可控硅相控變頻器圖1-1所示為可控硅相控變頻器拓?fù)?，利用兩套可控整流器并?lián)后向負(fù)載供電，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓大小和極性都可以改變2。通過合理的

17、控制正組和反組可控整流器的切換頻率，就可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓交變，達(dá)到AC/AC變換的目的。圖 1-1交/交變頻器電路結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是：可控硅相控變頻器的功率因數(shù)較低；輸出電壓頻率受電網(wǎng)頻率的限制；響應(yīng)速度慢并且需要較大的濾波器，體積和重量比較大。1.2.2 具有諧振交流環(huán)節(jié)的AC/AC變換器圖1-2所示為具有(jyu)諧振交流(jioli)環(huán)節(jié)的AC/AC變換器拓?fù)?tu p)，該變換器通過兩級(jí)功率變換，能量可以雙向流動(dòng)，通過串聯(lián)諧振電路可以實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)。圖 1-2具有諧振交流環(huán)節(jié)的AC/AC變換器拓?fù)淙秉c(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率器件多，控制比較復(fù)雜。1.2.3 矩陣變換器圖1-3所示為矩陣變換器

18、拓?fù)洌琒11S33為雙向功率開關(guān)，該變換器首先需要檢測(cè)三相輸入電壓，然后根據(jù)所需要的輸出電壓生成驅(qū)動(dòng)脈沖，去控制各個(gè)開關(guān)管，從而可以將任意頻率/電壓的多相交流電轉(zhuǎn)換成另一種交流電，輸出電壓諧波小、功率因數(shù)高、雙向功率流、無中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)3-5。圖 1-3 三相輸入/三相輸出矩陣變換器主電路缺點(diǎn)是：電壓傳輸比小，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率器件多且對(duì)保護(hù)有較高要求，控制比較復(fù)雜。1.2.4 基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器近年來使用雙向開關(guān)來代替DC/DC變換器拓?fù)渲械墓β书_關(guān)，來實(shí)現(xiàn)直接AC/AC變換成為研究熱點(diǎn)。從原理上來講，只要實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)的雙向化，同時(shí)施以適當(dāng)?shù)目刂品桨?，任何DC/DC變換器

19、都可以實(shí)現(xiàn)AC/AC變換，下面介紹幾種近年來研究比較成熟的拓?fù)洹?） Buck型交流斬波器圖1-4所示分別為單相與三相Buck型交流斬波器拓?fù)?，將DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)采用兩管組合方式的雙向開關(guān)代替，就實(shí)現(xiàn)了功率雙向流動(dòng)，該類型的變換器廣泛地應(yīng)用于工業(yè)加熱、燈光控制、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)等領(lǐng)域。（a）單相(dn xin)拓?fù)洌╞）三相(sn xin)拓?fù)鋱D 1-4交流(jioli)斬波器拓?fù)淙秉c(diǎn)是：控制比較復(fù)雜；由于死區(qū)的存在，開關(guān)管之間切換時(shí)會(huì)引起較大的電壓尖峰，降低了變換效率和可靠性。2） 低頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器圖1-5所示為低頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器拓?fù)洌瑘D（a）為半橋式，圖（

20、b）為推挽式，其實(shí)質(zhì)是具有低頻電氣隔離的交流斬波器。該類變換器具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、低頻電氣隔離等特點(diǎn)。（a）半橋式（b）推挽(tu wn)式圖 1-5 低頻環(huán)節(jié)(hunji)AC/AC變換器拓?fù)淙秉c(diǎn)(qudin)是：變壓器體積重量大、功率密度低、音頻噪音大。3） 高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器該變換器包括基于正激變換器的電壓源型和基于反激變換器的電流源型兩類拓?fù)?，該類變換器實(shí)質(zhì)是具有高頻電氣隔離的交流斬波器，能夠?qū)⒁环N不穩(wěn)定的劣質(zhì)交流電變換成另一種穩(wěn)定或可調(diào)的優(yōu)質(zhì)同頻交流電，具有變換效率高、功率密度高、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。圖1-6所示為電壓源型高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器拓?fù)?，圖（a）為單正激

21、式，圖（b）全橋橋式。圖1-7所示為電流源型高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器拓?fù)?，圖（a）為半橋式，圖（b）全橋橋式。（a）單正激式（b）全橋式圖 1-6電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器（a）半橋式（b）全橋式圖1-7 電流源高頻交流(jioli)環(huán)節(jié)AC/AC變換器缺點(diǎn)(qudin)是：比較適用(shyng)于單相電路，三相電路需要由三個(gè)單相電路組合實(shí)現(xiàn)，開關(guān)管數(shù)目多，電路結(jié)構(gòu)及控制比較復(fù)雜。1.3基于簡(jiǎn)單拓?fù)涞膯蜗嘀苯覣C/AC變換器拓?fù)渲苯覣C/AC變換器有著極高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，其中基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）輸出電壓諧波含量低，濾波器體積小，輸

22、出電壓波形質(zhì)量高；（2）由于功率雙向流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直接AC/AC四象限變換；（3）由于沒有中間環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力；（4）由于沒有中間環(huán)節(jié)，是直接的AC/AC變換，因而能達(dá)到較高的變換效率；（5）網(wǎng)側(cè)電流波形正弦度好，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)與負(fù)載功率因數(shù)相同。因此，基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器成為電力電子研究的前沿課題，目前如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化、控制的簡(jiǎn)便化成為研究熱點(diǎn)。目前受功率開關(guān)器件發(fā)展水平的限制，基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器均采用由兩個(gè)或多個(gè)單體功率管構(gòu)成的組合式雙向開關(guān)，其組合方式包括串接組合式或并接組合式，如圖1-8（a）、（b）所示

23、。 （a）串接組合式雙向開關(guān)(kigun) （b）并接組合式雙向開關(guān) 圖 1-8 組合式雙向開關(guān)(kigun)前面(qin mian)1.2.4節(jié)介紹的幾種基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC 變換器，都采用了圖1-8（a）或（b）所示的多管組合式雙向開關(guān)來實(shí)現(xiàn)功率的雙向化，因此這幾種變換器都具有功率開關(guān)管多、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。圖 1-9 單有源四象限開關(guān)圖1-9所示為單有源四象限開關(guān)，采用單個(gè)功率管和整流橋組合的方式，是一種結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的雙向開關(guān)，它能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流，而且無論電流方向如何，都從功率管單向流過，采用這種雙向開關(guān)的直接AC/AC變換器，電流過零時(shí)可自然換流，對(duì)開關(guān)PWM控制時(shí)不受電

24、壓和電流極性的制約，從而使控制得到很大程度上的簡(jiǎn)化。因此，采用單有源四象限開關(guān)構(gòu)成的簡(jiǎn)單拓?fù)銩C/AC變換器，相對(duì)采用雙管組合式雙向開關(guān)的AC/AC變換器，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，控制更為簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)更為優(yōu)良的波形變換。基于此，本文以DC/DC變換器拓?fù)錇榛A(chǔ)，對(duì)采用單有源四象限開關(guān)的單相Buck型AC/AC變換器進(jìn)行研究，該變換器僅使用兩個(gè)功率開關(guān)管，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，可實(shí)現(xiàn)小型化。1.4本文的主要內(nèi)容論文以基于Buck型DC/DC變換器拓?fù)涞膯蜗嘀苯覣C/AC變換器為研究對(duì)象，分析了單相Buck型AC/AC變換器的工作原理、電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；研究了單相Buck型AC/AC變換器電壓?jiǎn)伍]環(huán)

25、瞬時(shí)值控制方案；建立了單相Buck型AC/AC變換器的全系統(tǒng)Matlab仿真模型，對(duì)其變換原理、參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、進(jìn)行了仿真分析；總結(jié)了全文的主要工作和展望了下一步的研究方向。2單相Buck型AC/AC變換器電路設(shè)計(jì)本章(bn zhn)對(duì)單相Buck型AC/AC變換器工作(gngzu)原理、工作模態(tài)、電路(dinl)參數(shù)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入研究和全面的分析。2.1單相Buck型AC/AC變換器工作原理圖2-1所示為單相Buck型AC/AC變換器主電路拓?fù)洌怯刹捎锰摼€框內(nèi)所示的單有源四象限開關(guān)S1、S2取代Buck型DC/DC變換器中的單向開關(guān)和續(xù)流二極管后演化而來6。圖2-1 單相Buck型A

26、C/AC變換器主電路拓?fù)鋱D2-2 單相Buck型AC/AC變換器等效電路單相Buck型AC/AC變換器等效電路如圖2-2所示，S1、S2均為四象限開關(guān)，且工作于互補(bǔ)開關(guān)狀態(tài)。設(shè)uin為輸入電壓，uo為輸出電壓，fs為開關(guān)頻率，開關(guān)周期Ts=1/fs，S1的占空比為D（0D0，iLf0；uin0，iLf0；uin0，iLf0；uin0四種不同階段，下面分別進(jìn)行分析，圖中箭頭表示電壓、電流的實(shí)際方向，實(shí)線表示電流流經(jīng)的路線，虛線表示電流未經(jīng)過的路線。1）：uin0，iLf0階段該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖2-4所示，圖（a）所示為開關(guān)管S1開通、S2關(guān)斷階段，此時(shí)輸入電壓uin通過D1-S1-D4-

27、Lf的路徑給電容Cf和負(fù)載ZL供電。圖（b）所示為開關(guān)管S1關(guān)斷、S2開通階段，此時(shí)電感電流iLf通過D8-S2-D5-Cf/ZL續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電。（a）S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷（b）S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通圖2-4 uin0，iLf0階段(jidun)工作模態(tài)2）：uin0，iLf0，iLf0階段工作模態(tài)3）：uin0，iLf0階段該階段(jidun)電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖2-6所示，圖（a）所示為開關(guān)管S1開通(kitng)、S2關(guān)斷階段，此時(shí)(c sh)輸入電壓uin通過Lf-D3-S1-D2的路徑給電容Cf和負(fù)載ZL供電。圖（b）所示為開關(guān)管S1關(guān)斷、S2開通階段，此時(shí)電感電流iLf通

28、過D6-S2-D7-Cf/ZL續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電。（a）S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷（b）S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通圖2-6 uin0，iLf0階段工作模態(tài)4）：uin0階段該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖2-7所示，圖（a）所示為開關(guān)管S1開通、S2關(guān)斷階段，此時(shí)輸入電壓uin通過Lf-D3-S1-D2的路徑給電容Cf和負(fù)載ZL供電。圖（b）所示為開關(guān)管S1關(guān)斷、S2開通階段，此時(shí)電感電流iLf通過D8-S2-D5-Cf/ZL續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電。（a）S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷（b）S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通圖2-7 uin0階段(jidun)工作模態(tài)2.3 單相(dn xin)Buck型AC/AC變換器參

29、數(shù)(cnsh)設(shè)計(jì)2.3.1 開關(guān)頻率的選擇由單相Buck型AC/AC變換器工作原理分析可知，輸出電壓以為基波，諧波分布在角頻率整數(shù)倍兩側(cè)處。理論上開關(guān)頻率越高，輸出波形越好，輸出濾波器的體積也越小，有利于設(shè)備的小型化。但是有三個(gè)主要原因制約著開關(guān)頻率的提高。首先，現(xiàn)代電力電子器件的開關(guān)頻率顯然是有限的，過高頻率的開關(guān)器件的需要后續(xù)的研發(fā)。其次，隨著開關(guān)頻率的提高，整個(gè)電路僅在開關(guān)上的成本就顯然會(huì)飛漲。再次，隨著開關(guān)頻率的提高，電路在開關(guān)關(guān)斷導(dǎo)通功率損耗上也上漲很快。由于輸出電壓基波頻率停留在50Hz這一較低頻率，所以這里綜合考慮選取50kHZ是比較合理的選擇。2.3.2 輸出濾波器設(shè)計(jì)設(shè)置輸

30、出濾波器的目的在于將變換器輸出的電壓中的高頻雜波去除，最好僅把電路的基波保留。所以一般在設(shè)計(jì)方面要遵循以下準(zhǔn)則。首先，濾波器要具備合理的輸出截止頻率，以達(dá)到較好的衰減諧波的效果。其次，為了抑制功率管電路流峰值，要能夠?qū)㈦姼须娏鞯募y波系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)。再次，濾波電感基波壓降小。同時(shí)要能夠?qū)⑤敵鲭妷?THD 或單次諧波含量降低到要求的范圍之內(nèi)。1）濾波(lb)電感的設(shè)計(jì)由單相(dn xin)Buck型AC/AC變換器原理分析可知，其輸出濾波器的設(shè)計(jì)可以(ky)按照類似Buck型DC/DC變換器的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)變換器輸入電壓，則輸出電壓為，如果開關(guān)頻率足夠大，在一個(gè)（或相鄰幾個(gè)）開關(guān)周期內(nèi)輸

31、入電壓uin、輸出電壓uo、負(fù)載電流io可被視為直流，分別標(biāo)記為、此時(shí)電感電流波形可由圖2-8表示。圖2-8電感電流波形則在一個(gè)開關(guān)周期里，S1關(guān)斷、S2開通的續(xù)流期間，有電量關(guān)系： (2-9)其中，這里為電感電流的紋波系數(shù)，為了減小流過功率開關(guān)管的電流尖峰，一般取。式(2-9)對(duì)于任意開關(guān)周期均成立，結(jié)合圖2-8所示的關(guān)系，由變換器在各開關(guān)周期工作狀態(tài)的一般性，可得到在整個(gè)工頻周期的關(guān)系式： (2-10)其中。設(shè)輸出額定功率為，則： (2-11)聯(lián)立（2-10）和（2-11）可得： (2-12)式（2-12）即為濾波電感的最小值。2）濾波(lb)電容的設(shè)計(jì)類似(li s)于濾波電感(din

32、n)的設(shè)計(jì)，濾波電容的設(shè)計(jì)同樣由任意單個(gè)開關(guān)周期的電量關(guān)系推廣到整個(gè)工頻周期。由圖2-8所示的關(guān)系可知，當(dāng)時(shí)，充電，輸出電壓升高；當(dāng)時(shí)，放電，輸出電壓降低，即當(dāng)濾波電容為有限值時(shí)，其上有周期性紋波電壓，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，充電，設(shè)充電量為，輸出電壓由上升至；當(dāng)時(shí)，放電，設(shè)放電量為，輸出電壓由下降至；在一個(gè)周期輸出電壓的平均值為，則有電量關(guān)系 (2-13)其中，為輸出電壓紋波系數(shù)。在一個(gè)開關(guān)周期里，的充（放）電電荷為 (2-14)則由式（2-11）至（2-14）聯(lián)立可得： (2-15)式（2-15）即為濾波電容的最小值?？紤]輸出濾波器的截止頻率應(yīng)該合理設(shè)置，一般取在距基波和最低次諧波頻率均在

33、10倍以上，即輸出濾波器的截止頻率 (2-16)由式(2-15)、(2-16)可選擇合適的濾波電容的值。2.4 單相Buck型AC/AC變換器緩沖電路設(shè)計(jì)由于單相Buck型AC/AC變換器功率開關(guān)S1和S2處于互補(bǔ)工作狀態(tài)，所以實(shí)際電路中，S1和S2必須遵循以下原則：（1）任意時(shí)刻兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)開路，必須有一個(gè)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則電感電流沒有續(xù)流回路，會(huì)引起過電壓而損壞器件；（2）任意時(shí)刻兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成對(duì)輸入電源短路，引起過大電流而損壞器件。所以(suy)在實(shí)際電路中設(shè)置了死區(qū)時(shí)間(shjin)來S1和S2的同時(shí)(tngsh)導(dǎo)通。由于死區(qū)時(shí)間內(nèi)S1和S2均關(guān)斷，為了給濾

34、波電感和感性負(fù)載提供續(xù)流回路，則需要引入續(xù)流元件，即死區(qū)時(shí)間由續(xù)流元件、輸出濾波電感以及負(fù)載構(gòu)成能量回路。由于主電路要求引入的續(xù)流元件本身無損耗，所以本文提出RCD緩沖電路的解決方案。2.4.1 RCD緩沖電路工作模態(tài)圖2-9所示為采用RCD緩沖電路的單相Buck型AC/AC變換器主電路。圖2-9 帶RCD緩沖電路單相Buck型AC/AC變換器主電路當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電路在一個(gè)開關(guān)周期里有四種工作模態(tài)，圖2-10（a）-（d）是當(dāng)電感電流為正（圖2-9示方向）時(shí)各電路工作模態(tài)和等效電路，圖2-11為工作波形。（a）S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷（b）S1關(guān)斷、S2關(guān)斷（c）S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通（d）S1關(guān)斷、S

35、2關(guān)斷圖2-10 帶RCD緩沖電路(dinl)單相Buck型AC/AC變換器工作(gngzu)模態(tài)等效電路模態(tài)1（S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷）：S1導(dǎo)通，流過S1的電感(din n)電流iLf線性增加(zngji)，電感(din n)Lf儲(chǔ)能；電容Cs1通過Cs1-S1-RS1構(gòu)成的放電回路放電，電壓由uCS1降至0，其中電容Cs2的電壓在S1導(dǎo)通之初的時(shí)間里uCS2迅速充電至uin，其后將不再流過電流，電壓保持uCS2=ui至本模態(tài)末；模態(tài)2（S1關(guān)斷、S2關(guān)斷）：電感電流iLf轉(zhuǎn)為L(zhǎng)f-Cf/ZL-uin-D1-Cs1-Ds1-D4路徑流過，由Cs1、Ds1代替S1構(gòu)成能量回路，Cs1被充電，其電

36、壓由初值0逐漸上升，在此過程a、b兩點(diǎn)間電壓uab=uin- uCS1 uCS1=uin，S1所并整流橋?qū)⒈粚?dǎo)通，CS1被繼續(xù)充電，電壓由初始值uCS1=uin上升至uCS1=uin+ uCS2，至下一時(shí)刻S1導(dǎo)通，電路進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。當(dāng)電感電流為負(fù)時(shí)，電路同樣可分為與上述類似的四種工作模態(tài)。通過上述對(duì)RCD緩沖電路的原理和工作模態(tài)分析可知，該方案能夠解決單相Buck型AC/AC變換器的換流問題，而且由于可以采用固定死區(qū)時(shí)間，不會(huì)額外增加控制電路的難度，因此可以認(rèn)為，采用RCD緩沖電路解決單相Buck型AC/AC變換器死區(qū)時(shí)間的換流問題，是完全可行的。2.4.2 RCD緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)原則

37、單相Buck型AC/AC變換器加RCD緩沖電路后，將給主電路帶來一些重要影響，其一是對(duì)功率開關(guān)應(yīng)力的影響，附加換流電路參數(shù)的設(shè)置，將直接影響到功率管電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力的大小；另一方面，附加換流電路會(huì)帶來附加損耗，影響變換器的效率，而附加損耗的大小，也與附加換流電路的參數(shù)設(shè)置相關(guān)。所以，附加換流電路的RCD參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。但是，RCD參數(shù)的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，很難由具體的計(jì)算公式得到，其設(shè)計(jì)可以按以下原則，并結(jié)合仿真研究進(jìn)行優(yōu)化確定：（1）確保換流電容的完全放電RCD緩沖電路的實(shí)質(zhì)是靠附加電容Cs2/Cs2在死區(qū)時(shí)間代替功率開關(guān)S1/S2續(xù)流，為了避免Cs2/Cs2上的電量累積導(dǎo)致其失去續(xù)流作用，必

38、須保證每個(gè)開關(guān)周期在S1/S2導(dǎo)通期間將S1/S2上儲(chǔ)存的電量完全釋放，則必須使放電常數(shù)（這里為了便于計(jì)算，忽略了功率開關(guān)管開通瞬態(tài)的導(dǎo)通電阻）小于S1/S2的最小導(dǎo)通時(shí)間，即，其中，是實(shí)際閉環(huán)電路中的允許的最小占空比。考慮線路電阻和安全裕量，可取： (2-17)（2）確保開關(guān)(kigun)應(yīng)力不能過大附加換流電路的加入，會(huì)引起功率開關(guān)(kigun)應(yīng)力的變化，具體分析如下：a、電壓(diny)應(yīng)力由前面的模態(tài)分析可知，加入RCD緩沖電路后，由模態(tài)4的電量關(guān)系，開關(guān)S1、S2所承受的關(guān)斷電壓為uCS1、uCS2。由于此模態(tài)是在死區(qū)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，相對(duì)于開關(guān)周期Ts時(shí)間極短，電感電流大小的變化甚微，

39、可認(rèn)為近似不變，所以可將電感等效為一個(gè)電流源iL，其等效電路如圖2-11所示。圖2-11等效電路對(duì)于圖2-11的電路，由前面模態(tài)4的分析可知電容CS1、CS2的電壓初始值分別為uCS1=uin，uCS2=0。設(shè)流過電容CS1、CS2的電流分別為iCS1、iCS2，則可得如下電量關(guān)系方程： (2-18)解方程(2-18)得： (2-19)考慮到兩個(gè)換流電路的對(duì)稱性，可取，則由(2-19)可得 (2-20)式中(2-20)，若uCS2uin，則下一時(shí)刻(shk)S1導(dǎo)通后CS2將因所在整流橋無法導(dǎo)通而無電流流過，uCS2被保持，即CS2上電壓最大值不可能小于uin。為了使CS2上電壓最大值被限定在

40、uin（這里限制的目的不僅僅是為了限制功率S2的電壓應(yīng)力，更重要的是與減小附加損耗有關(guān)，具體將在后面分析到），則應(yīng)使uCS245，幅值裕度6dB；（2）校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)具有較高的低頻段增益，以保證系統(tǒng)穩(wěn)壓精度；（3）應(yīng)使校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)具有較高的截止頻率，以保證系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能；（4）應(yīng)盡量使校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線以斜率20dB交越。3.2電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值PID控制在實(shí)際工程應(yīng)用中，PID控制器是迄今為止最通用的控制器，從航天飛機(jī)，衛(wèi)星控制到簡(jiǎn)單的工業(yè)過程，PID控制器被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中8。1907年，C.J.Tagliabue Company安裝第

41、一臺(tái)氣動(dòng)比例(P，Proportion)控制器，用于控制牛奶巴氏消毒器的溫度。Foxboro Instrument Company在1922年獲得了一項(xiàng)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的專利，專利涉及到溫度的控制和測(cè)量。從功能的描述中，應(yīng)該是比例控制器。Leeds & Northrop Company的創(chuàng)建者M(jìn)orris E Leeds在1920獲得一項(xiàng)自動(dòng)控制器專利，該控制器的獨(dú)特之處在于考慮了誤差和誤差的變化率，在此基礎(chǔ)上，1929年，該公司生產(chǎn)出氣動(dòng)比例積分(PI，Proportion Integral)控制器。當(dāng)時(shí)的研究者也致力于氣動(dòng)放大器的研究，氣動(dòng)放大器的放大倍數(shù)的提高，能夠減少誤差。微分控制器(Di

42、fferentiator)的發(fā)明來源于Taylor Instrument Company在人造絲(rayon)生產(chǎn)過程中的溫度控制器設(shè)計(jì)。生產(chǎn)過程要求溫度保持不變，但絨毛形狀的纖維素不導(dǎo)熱，使得熱交換的時(shí)間延長(zhǎng)，采用PI控制器的系統(tǒng)處于不停的震蕩中。Taylor Instrument Company的工程師Ralph Clarridge觀察發(fā)現(xiàn)，通過約束控制器中比例作用的線性反饋，可以使得當(dāng)給定值有一個(gè)突然的變化，系統(tǒng)有很大的輸出響應(yīng)。這個(gè)控制器有預(yù)測(cè)誤差信號(hào)變化的能力。1935年，微分控制器運(yùn)用于生產(chǎn)過程的控制中。1939年，Taylor Instrument Company和Foxboro

43、 Instrument Company制造出完全具有PID控制功能的氣動(dòng)控制器。PID控制應(yīng)該被稱之為智能控制，因?yàn)樗腔谏a(chǎn)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)。發(fā)明者通過觀察認(rèn)為，控制器應(yīng)該像一個(gè)熟練的操作者那樣去控制，減少直至消除系統(tǒng)中出現(xiàn)的誤差。同時(shí)輪船和飛機(jī)的自動(dòng)駕駛儀也是基于同樣的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。在當(dāng)時(shí)PID控制面臨的有三個(gè)主要問題：（1）尋找簡(jiǎn)單一種方法，能夠計(jì)算PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)；（2）判斷生產(chǎn)過程是否可控；（3）PID控制器的操作不依賴于復(fù)雜易損的機(jī)械元件?，F(xiàn)代控制理論飛速發(fā)展，取得了一系列引人注目的成果。但在工程應(yīng)用上并沒有取得期望的進(jìn)展?？刂茖?duì)象向多變量、高階、多輸入多輸出的延伸，

44、給控制工程提出一系列的難題。理論的成果，需要有大量的工程應(yīng)用來驗(yàn)證，同時(shí)大量的工程問題需要理論來指導(dǎo)。理論的發(fā)展和工程的應(yīng)用之間必需有一個(gè)結(jié)合點(diǎn)。目前世界在用的閉環(huán)控制系統(tǒng)中超過80%都包含有PID（或者PI）控制回路圖。PID控制器的工程可實(shí)現(xiàn)性和控制工程界的廣泛應(yīng)用，應(yīng)該是理論和工程應(yīng)用之間的一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)。3.3模擬(mn)控制器設(shè)計(jì)考慮到PD控制或PI控制都難以滿足3.1節(jié)所述補(bǔ)償要求，可以采用(ciyng)PID控制，PID控制集合了PD控制和PI控制的優(yōu)點(diǎn)，低頻段時(shí)增大低頻增益，實(shí)現(xiàn)輸出電壓低頻分量的精確調(diào)節(jié)；高頻段時(shí)改善相位裕量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。和PI控制相比，PID控制除了同

45、樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)外，還在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性，所以采用PID控制可望獲得更好的控制效果。針對(duì)式(3-7)所示的開環(huán)系統(tǒng)，加入PID控制后系統(tǒng)如圖3-3所示。圖3-3采用(ciyng)PID控制系統(tǒng)框圖假設(shè)PID控制器為： (3-8)則加入PID控制后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為： (3-9)從而得到閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為： (3-10)控制理論中指出：在控制工程實(shí)踐中，高階系統(tǒng)的增益常常調(diào)整到使系統(tǒng)具有一對(duì)閉環(huán)共軛主導(dǎo)極點(diǎn)。這時(shí)，可以用二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來估算高階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于這樣的三階系統(tǒng)，為了得到所需要的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，我們的處理方法是：將其中兩個(gè)極點(diǎn)配置為一對(duì)共

46、軛極點(diǎn)，另外兩個(gè)極點(diǎn)配置在距虛軸很遠(yuǎn)的地方。閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，穩(wěn)定性主要由閉環(huán)極點(diǎn)在S平面的分布位置決定，對(duì)于一個(gè)高階（高于二階）系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性主要由閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)決定。如果根據(jù)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)確定了閉環(huán)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)希望位于，其中、分別為希望的阻尼比和自然頻率，那么閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)，可以選取。其中是正常數(shù)，的值越大，則由、三個(gè)極點(diǎn)確定的三階系統(tǒng)響應(yīng)特性就越接近由閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)決定的二階系統(tǒng)，一般取510。由希望(xwng)的閉環(huán)極點(diǎn)確定的特征方程： (3-11)對(duì)比(dub)式(3-10)、(3-11)可以(ky)得到： (3-11)在此選為，取，這里取，因而所設(shè)定的希望的極點(diǎn)為：利用式

47、(3-11)可求得連續(xù)系統(tǒng)控制器參數(shù)為： (3-12)代入式(3-9)可得加入PID控制后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： (3-13)畫出式（3-13）幅頻特性如圖3-4所示，開環(huán)系統(tǒng)具有較高的截止頻率，相角裕度45，幅值裕度6dB，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，同時(shí)保證了較大的系統(tǒng)帶寬，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，低頻增益增大，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度，整個(gè)設(shè)計(jì)符合補(bǔ)償要求。圖3-4加入PID控制(kngzh)后開環(huán)系統(tǒng)波特圖圖3-5加入(jir)PID控制后閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)波特圖圖3-5為加入PID控制后閉環(huán)系統(tǒng)的輸出輸入頻率響應(yīng)特性圖，可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的低頻增益為1，50Hz時(shí)幾乎無相角的滯后，可以實(shí)現(xiàn)輸

48、出完全跟蹤輸入，且無諧振峰。同時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)Bode圖向我們展示了系統(tǒng)帶寬。帶寬是頻率域中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。帶寬大的系統(tǒng)，一方面重現(xiàn)輸入信號(hào)的能力強(qiáng)；另一方面，抑制輸入端高頻噪聲的能力就弱。同時(shí)，閉環(huán)帶寬越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快。由于開關(guān)器件動(dòng)作帶來的高頻噪聲都位于開關(guān)頻率附近，只要帶寬不包含開關(guān)頻率，高頻噪聲就可以被很好的衰減。我們可以看到閉環(huán)系統(tǒng)選擇了較大的帶寬。因而，閉環(huán)系統(tǒng)相對(duì)未進(jìn)行控制的開環(huán)逆變器系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的性能有了很大的改善。3.4數(shù)字控制器設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的控制器多采用模擬控制，但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微處理器的性能飛速提高，成本價(jià)格不斷下降，使得逆變器全數(shù)字化控制的應(yīng)用日益增多，模擬控

49、制被數(shù)字控制取代的趨勢(shì)越來越明顯9-10。模擬電路需要數(shù)量眾多的運(yùn)算放大器、比較(bjio)器、三極管等模擬器件以實(shí)現(xiàn)電路運(yùn)算和保護(hù)，而這些功能在采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需一片小小的數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)及其相關(guān)的簡(jiǎn)單外圍電路。傳統(tǒng)的模擬(mn)控制存在許多固有的缺點(diǎn)：（1）因采用大量的分散(fnsn)元件和電路板，導(dǎo)致硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降。（2）由于人工調(diào)試器件的存在，如可調(diào)電位器，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)的一致性差。（3）器件老化及熱漂移問題的存在，導(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失敗。（4）產(chǎn)品升級(jí)換代困難，對(duì)同一型號(hào)的

50、模擬控制逆變電源，若不改動(dòng)硬件，升級(jí)是不可能的，每一個(gè)新型的逆變電源都要求重新設(shè)計(jì)、制造控制系統(tǒng)。（5）模擬控制的逆變電源的監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，要想恢復(fù)正常，技術(shù)人員必須親赴現(xiàn)場(chǎng)。與模擬控制相比，數(shù)字化控制具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：（1）可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法(如空間矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及重復(fù)控制等)，以提高變換器的輸出性能；（2）方便程序代碼的移植、升級(jí)和維護(hù)，勿需對(duì)硬件電路進(jìn)行大的調(diào)整；（3）數(shù)字化產(chǎn)品一致性好，受噪聲和溫漂的影響小，適合于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用于強(qiáng)干擾性的場(chǎng)合；（4）便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，在航空航天電源、無人值守的電站及分布式供電系統(tǒng)等重要場(chǎng)所，數(shù)字控制技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。與

51、模擬控制相比，數(shù)字控制主要的缺點(diǎn)是控制芯片(DSP)的價(jià)格偏高。隨著工業(yè)集成化程度的日益提高，數(shù)字控制芯片價(jià)格正不斷下降，因此，數(shù)字控制技術(shù)在國(guó)民生產(chǎn)中應(yīng)用的份額正不斷擴(kuò)大。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)逆變器的波形控制技術(shù)進(jìn)行了大量卓有成效的研究，提出了許多控制方案，如電壓瞬時(shí)值PID反饋控制，電壓電流雙閉環(huán)反饋控制，無差拍控制，重復(fù)控制，離散滑模控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制以及基于遺傳算法優(yōu)化的模糊重復(fù)控制等智能控制技術(shù)。PID控制以其簡(jiǎn)單、參數(shù)易于整定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐之中。早期變換器的控制，多為模擬PID控制。模擬控制電路使得控制系統(tǒng)的可靠性下降，調(diào)試復(fù)雜，不易于整定。隨著MSI技術(shù)

52、的飛速發(fā)展，尤其是DSP出現(xiàn)以后，逆變器的瞬時(shí)值反饋數(shù)字PID控制得到應(yīng)用，而且，針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字PID控制存在的一些問題，智能控制的思路和其它控制策略也被引入，一定程度上改善了控制效果。但是PID控制是適用于線性定常系統(tǒng)的控制方法，而逆變器輸出波形控制，主要是非線性負(fù)載條件下的伺服控制，因而對(duì)波形畸變的抑制有一定的局限性。而且由于輸出波形是中、低頻正弦，PID控制無法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦指令的無靜差跟蹤，實(shí)際上往往需要增設(shè)外環(huán)均值反饋以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。本文同樣采用極點(diǎn)配置的方法對(duì)雙環(huán)控制數(shù)字控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，而數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法有兩種：模擬化方法和直接數(shù)字化方法。模擬化設(shè)計(jì)在連續(xù)域下?lián)到y(tǒng)性能要求，設(shè)

53、計(jì)出連續(xù)域下的控制系統(tǒng)，然后將其離散化；直接數(shù)字化設(shè)計(jì)則先將控制對(duì)象離散化，直接在離散域下對(duì)離散化的控制對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。直接數(shù)字化方法在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)可得到更寬的控制帶寬，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在多環(huán)系統(tǒng)或采樣周期較大時(shí)更為顯著，所以數(shù)字控制器一般采用直接數(shù)字化方法設(shè)計(jì)。將連續(xù)(linx)域下的PID調(diào)節(jié)器用后向差分的方法離散(lsn)，就變成數(shù)字調(diào)節(jié)器，其離散方程為： (3-14)把模擬(mn)控制器求出的Kp、Ki、Kd和采樣周期Ts代入上式，即可求的數(shù)字控制器，這種方法為模擬化方法，下面討論直接數(shù)字換方法。單相Buck型AC/AC變換器控制系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，控制器設(shè)計(jì)直接推導(dǎo)比較困難，假設(shè)三階系統(tǒng)希望

54、的閉環(huán)極點(diǎn)在連續(xù)域下為，希望的閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)分別為，其中、分別為希望的阻尼比和自然頻率，是正常數(shù)，的值越大，則由、四個(gè)極點(diǎn)確定的四階系統(tǒng)響應(yīng)特性就越接近由閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)決定的二階系統(tǒng)，一般取510，、離散化后為、。由希望的閉環(huán)極點(diǎn)、確定的特征方程： (3-15)將式（3-9）借助于Matlab工具利用零階保持器方法離散化后得： (3-16)然后根據(jù)式(3-14)、(3-15)和(3-16)類似于模擬控制器的設(shè)計(jì)方法可求的Kp、Ki、Kd，這里不再贅述。3.3結(jié)論本章對(duì)單相Buck型AC/AC變換器進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和控制系統(tǒng)建模，建立了狀態(tài)空間狀態(tài)模型、交流小信號(hào)電路模型，并在此基礎(chǔ)上建立了單閉環(huán)瞬

55、時(shí)值控制的整體框架。在此基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)和總控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，完成了對(duì)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償和校正，獲得了較高的低頻增益和較大的系統(tǒng)帶寬，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制并具有較好的動(dòng)態(tài)性，對(duì)電源和負(fù)載的跳變都有較強(qiáng)的抵制能力。4單相Buck型AC/AC變換器仿真驗(yàn)證MATLAB的含義(hny)是矩陣實(shí)驗(yàn)室，它是MathWorks公司(n s)于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化的科學(xué)工程(gngchng)計(jì)算軟件，被譽(yù)為“巨人肩上的工具”。它不但具有以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的強(qiáng)大的數(shù)值和分析功能，還具有豐富的可視化圖形表示功能和方便的程序設(shè)計(jì)能力。MATLAB的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，

56、除數(shù)值計(jì)算和分析外,還被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號(hào)處理、圖形圖像分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、通信等到領(lǐng)域?？梢哉f，MATLAB是面向21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言。MATLAB提供的Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。Simulink提供有Sinks(輸出方式)、Source(輸入源)、Discrete (離散時(shí)間環(huán)節(jié))、Linear(線性環(huán)節(jié))、Nonlinear(非線性環(huán)節(jié))、Connections(連接與接口)、Extra (其

57、他環(huán)節(jié))子模型庫(kù)。建立單相Buck型AC/AC變換器控制系統(tǒng)的仿真模型，可以有效地節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間；及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出，同時(shí)可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為地加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同工況下的動(dòng)靜態(tài)特性。如果直接將復(fù)雜的控制算法應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)，通常存在著難于分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化、調(diào)試?yán)щy、開發(fā)效率低等缺點(diǎn)。因此運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件先對(duì)這些復(fù)雜算法進(jìn)行仿真分析和研究是非常有效和必要的。但傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真軟件包用微分方程和差分方程建模，直觀性、靈活性差、編程量大、操作不便。借助Simulink強(qiáng)大的仿真能力，可以很方便的建立起單相Buck型AC

58、/AC變換器控制系統(tǒng)模型。按照第2章主電路參數(shù)分析與設(shè)計(jì)、第3章控制策略的選擇與設(shè)計(jì)，利用Matlab軟件對(duì)電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值控制單相Buck型AC/AC變換器進(jìn)行仿真分析，主電路、緩沖電路按第二章的設(shè)計(jì)參數(shù)，控制電路按3章的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體參數(shù)清單如下：輸入電壓：uin=220V/50Hz輸出電壓：uo=110V/50Hz占空比：D=0.5；輸出功率：Po=1000VA；開關(guān)頻率：fs=10kHz；死區(qū)時(shí)間：；濾波電感：；濾波電容：；緩沖電阻：；緩沖電容：；4.1仿真模型原理本文(bnwn)采用了模塊化的方法運(yùn)用，Matlab/Simulink構(gòu)建單相(dn xin)Buck型AC/AC變換器控制

59、系統(tǒng)各個(gè)獨(dú)立功能模塊，最后將其進(jìn)行(jnxng)有機(jī)的整合，從而實(shí)現(xiàn)了單相Buck型AC/AC變換器控制系統(tǒng)的仿真建模。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)單相Buck型AC/AC變換器控制，使其滿足一定的性能指標(biāo)（穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性）并盡可能使仿真模型簡(jiǎn)化，而采用了單環(huán)瞬時(shí)值PID控制方式。為了仿真時(shí)間盡可能短并達(dá)到一定的仿真精度，選用離散控制系統(tǒng)。整個(gè)仿真模型如圖4-1所示，主要包括4大主要功能電路：主電路、采樣電路、PID控制電路、低通濾波電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路。主電路和緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)在第2章進(jìn)行了分析；采樣電路是將輸出電壓進(jìn)行反饋，參與閉環(huán)控制；為了使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比較短，并且盡可能減小誤差，選用PID（比

60、例積分微分）控制器，為了限制幅值，選用飽和控制模塊；驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路是把PID環(huán)節(jié)輸出的調(diào)制波與載波進(jìn)行比較并整形處理產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)輸出。圖4-1 單相Buck型AC/AC變換器仿真模型主電路主電路設(shè)計(jì)步驟如下：第1步：建立一個(gè)新的模型窗口，命名為AC_Buck；第2步：打開電源模塊組，復(fù)制一個(gè)交流電壓源AC Voltage Source到AC_Buck模型中。打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按正弦交流電源要求設(shè)置參數(shù)(電壓峰值V=311V、f=50Hz、初相位為0)；第3步：打開電力電子模塊組，復(fù)制一個(gè)IGBT模塊到AC_Buck模型窗口中，打IGBT模塊對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置為Ron=0.001、Lon=