空间矢量算法的研究及其在三相UPS数字控制系统的实现

I 摘 要 本文基于横向项目 “大功率在线式 制系统的研发 ”，随着科技的发展，现代用电设备对于电能质量的要求越来越高，要求不间断电源 (够在市电故障或正常情况下为负载提 供干净、稳定、可靠的电能。随着高性能制器的发展，数字化控制逐渐成为未来的发展趋势与方向，采用 术可以提高 品输出电压的稳定性和可靠性，使其输出高质量的电压波形，同时可以改善系统的动态性能，采用 片作为主控芯片使产品更加便于优化升级。 实现在线式 控系统的关键是实现对三相逆变器的数字化控制，本文主要介绍了基于 三相逆变器数字化闭环控制系统的总体设计方案，即逆变器数字控制系统的软件设计。对空间矢量脉宽调制（ 术、三相逆变器闭环控制系统进行深入的研究，解释了不平衡负载的含义，说明了在三相不平衡时分解出导致不平衡出现的负序分量、零序分量和正序分量的方法对称分量法，提出了 制策略，采用仿真软件 三相逆变器闭环控制系统进行了仿真，验证了控制方案的正确性和可行性。 然后，根据已通过仿真实验的控制方案，设计 机的主控系统。简单介绍了组成结构和能量流向，在系统软件设计时，对应用于本系统中的空间矢量 制算法、 法、 性误差处理算法等几种重要的算法作了详细地推导和仿真分析，并在这些算法的基础上给出了控制系统主程序流程图。 最后，根据数字化闭环控制系统的硬件结构 和软件流程，实现了样机的闭环数字控制系统，通过一系列实验对样机进行了测试，并给出了实验波形。 关键词 ： 字 法；数字化控制策略 on of of no is or of SP a in SP as to SP of PS in to of to PS is to of of is of of on of of It a to of of to we PS In of a of I so At to of of a is a of on it I 录 摘 要 . 录 . 一章 绪论 . 1引言 . 1现状和发展趋势 . 1现状 . 1分类 . 2发展趋势 . 4数字控制系统 . 5字控制系统的特点 . 6字控制系统设计 . 7本课题的研究意义及其主要内容 . 8课题的研究意义 . 8课题的主要内容 . 8第二章 空间矢量 制 . 9言 . 9换 . 9换 . 10换 . 11间矢量技术 . 12压空间矢量基本原理 . 12术的 现方法 . 16软件仿真 . 20节 . 23节器 . 24种类型的 法 . 25字 制器的参数整定 . 26 数整定的仿真 . 29章小结 . 30第三章 三相逆变器的数字控制系统 . 31言 . 31相逆变器的闭环数字控制方案 . 31相不平衡 . 31相不平衡的抑制方案 . 33相逆变器闭环数字控制系统的建模与仿真 . 36相逆变器的闭环数字控制系统 . 38真结果分析 . 40章小结 . 42第四章 系统的软件实现 . 43言 . 43线式 工作原理 . 43统的软件 . 44码调试编译器 . 45序设计 . 46验结果 . 50章小结 . 55总结与展望 . 56参考文献 . 58附录 1 . 62附录 2 . 63攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 64致 谢 . 65第一章 绪论 1 第一章 绪论 引言 随着电力电子技术的发展与综合利用，使电源产业在航空、航天、宇航、舰船、自控自导、尖端武器、原子能、军队现代化以及医学、交通、运输、通讯、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，有关国民经济各行各业都与电力电子电源产业密不可分。随着用户对电源质量的要求也不断提高，不间断电源（ 渐成为各个行业用电设备的首要选择。 以向用户的关键设备（比 如：互联网数据中心（ 融证行业的计算机系统、通讯系统、航空管制系统、大规模集成电路生产线及各种自动生产流水线、医疗仪器和监控系统、公路和铁道调度等）提供高质量的无时间间断的交流电源。 到隔离的作用，始终向负载提供高质量的稳压、稳频电源，同时抑制电网的浪涌、尖峰、噪声以及补偿电压跌落等电源干扰对负载的影响。正因为 够有效改善供电的品质和质量，在这些重要的场合得到了广泛的应用1。现状和发展趋势 现状 近几年，国外各大电源供应商逐渐看好中国在电力电子电源市场的巨大潜力，纷纷把重点转向中国大陆。在 源产品方面，有山特、 克赛、梅兰日兰、三菱等众多厂商；在通信开关电源 方面，有爱立信、美国的 讯科技、朗讯、法国的西门子、日本的新电元等。台湾地区的电源生产厂商，如台达公司也在东莞、上海、天津等地区设立了工厂。 现在，跨国公司在国内电源市场占有依然强劲，如：艾默生 ( 兰日兰、伊顿爱克赛，最紧进入中国 市场的有：荷兰海泰克、 司、施恩禧电气（ S&C） 。 目前，在中国，也形成了一批超亿元的本土电源企业，例如中兴通讯、武汉洲际、厦门科华、烟台东方电子信息集团等，他们有较强的技术力量和开发能力。同时， 功率、集成化的方向发展。在国内 场，有一批民营企业，如厦门科华、冠军、科士达、易事特、捷益达等走在电源行业的前列。 国内的高校和科研机构中，如华中科技大学、浙江大学、西安交通大学，南京航空华南理工大学硕士学位论文 2航天大学等，在 字化控制和模块化技术方面作了大量的研究，取得了重大的成果，发表了很多具有重大价值的论文，取得了一些相关的专利，有的还与企业合作研发了一系列产品。但是，国外著名厂商，在产品的稳定性和可靠性等方面，还有许多工作要做，国内的厂商更是如此。 分类 如果按照依输入 /输出相数及电压来分， 分为单相输入单相输出， (应用于10下， 离线式、 在线交互式、 在线式等小容量 )， 三相输入单相输出 (应用于 10，三相输入三相输出 (应用于 10上在线式大容量 )。按工作方式可分为离线式 (在线交互式 (在线式 (2。 （ 1）离线式 市电正常供电时，直接供应给负载使用，在此同时有一回路经充电回路对电池组充电。此时若市电的电压不稳定或市电发生异常，则变流器给负载提供稳定的电力，大部份此类产品的输出波形皆为方波或阶梯波，也适用于计算机的电源。 图 1线式 构简图 （ 2）在线交互式 线交互式（ 特性介于在线式与离线式之间，但就其动作特性与供电方式而言，应该归类于离线式。在线交互式 结构如图 1示。 图 1线交互式 构简图 当市电电压在一定范围内（ 150 276V）时，它由继电器控制电流通路，经变压器第一章 绪论 3 后向用户提供市电电源（ 180 240V） ，同时经双向变换器（整流功能）给蓄电池充电；当市电电压低于 150V 或高于 276V 时，才由双向变换器（逆变功能）提供真正的逆变正弦波电源。因此，这种 被称为准在线式 在线交互式 去了输入整流器和充电器，由被称为 双向变换器的逆变器充当，其切换效果也是在线式的。其主要的不足就是输出电压稳定度不高，对输入功率因数也无调整作用，主要应用在对交流电压精度要求不太高的地方。 （ 3）在线式 文所研究的是在线式 面重点介绍在线 组成结构。 在线式（ On 市电正常时，市电交流输入经整流器变成直流稳压电源，然后将直流电源变成纯净的高质量正弦波电源；市电异常时，由蓄电池向逆变器提供直流电源，从而毫无间断地向用户提供纯净的正弦波电源。通过这样的变换，市电中的所有干扰几乎都被屏蔽掉了。 只有当逆变器出现故障或过载时， 才由旁路直接向负载供电。其结构简图如图 1示。 图 1线式 构简图 在线式 以下几个主要的模块组成： 换：来自电网的交流电压需要经过变压器降压、全波整流、滤波器滤波将交流电转换成直流电压，逆变器输入为直流电压，通常为了避免 机时的冲击，该模块需要有软启动电路。 变电路： 换通常采用 桥逆变器，逆变器输入直流电压，控制系统通过控制 形的产生来控制逆变桥的导通，得到电压稳定、频率稳定的输出电压。在逆变器的输出动态范围内，其输出阻抗一般较小，并且响应速度较快。由于该模块采用限流技术和短路保护，使逆变器在供电电压瞬变或者负载冲击、短路时，也可以安全工作。 华南理工大学硕士学位论文 4控制驱动： 控制系统是整机实现的关键， 控制系统的主要功能是产生 形，提供故障检测、断路保护、接受各种开关信号、同步信号和实现屏幕显示等，由于采用了闭环电压反馈和电流反馈，使逆变器的动态特性和稳定性得到了极大的改善。 发展趋势 目前， 统的相关技术发展迅速， 统的主要发展方向集中在以下几个方面3,4：（ 1） 高频化 随着功率半导体器件与高频技术的发展， 的直流部分引入高频技术，增加了C 升压环节，去掉了笨重的输出变压器 ，使得硬件系统更加轻巧，其输入性能也能通过高频 流或者 到提高。高频化使 容量、结构、可靠性都得到大大地提高，促使新一代大中型 主流结构向高频机转化。 （ 2） 绿色化 传统的 入端的整流结构使得 身成为电网的重要污染源之一，随着技术的发展和环保的要求， 绿色化势在必行。采用 率因数校正）技术能将输入功率因数提高到 上， 输入电流 于 10%。 不仅能减少对电网的污染，降低无功损耗，起到环保和节能的效果，还可以加强抗电磁干扰能力，降低辐射干扰，提高运行可靠性。 （ 3） 全数字化 控制已经进入到全数字控制阶段。 技术不断发展，处理速度、性价比不断提高，便于对系统采用先进的数字控制方法与控制策略。 本文研究的重点就是三相 字控制系统的实现。 （ 4） 智能化及网络化 智能化及网络化是指 机输出端增加 85 接口、 单网络管理协议）卡、 00 通信接口等，与计算机网络组成一个具有相互监控功能的 电系统，实现对 自动开 /关机和运行过程的远程监控。智能化 备自我诊断和自我保护功能，能对电池进行智能监测和管理。 （ 5） 模块化及冗余并机技术 模块化 以帮助用户在未来发展不明确的情况下，分阶段进行建设和投资。实现“ N+X”的故障冗余及升级扩容，大大节约采购、安装及维护成本。 第一章 绪论 5 可以把 制电路集中起来作为一个独立的可插拔的模块，也可以把功率变换部分集中在一个结构中作为一个可热插拔的模块。这样方便用户扩容和管理，同时也便于安装和维修。模块之间互相形成热备份并可带电插拔的功能模块。同样，在一个配置有多台设备的供电系统中，也可以把每台设备看作一个模块，在冗余热备份配置的情况下，同样可以做到故障后热插拔修复，当前技术先进的 电系统都一般具备直接并机功能。模块 统中采用的热插拔技术可以允许单个模块在不需停电的前提下任意进入或退出并联单元，从而实现了并联系统的在线维护。 实现 块化关键要解决下列问题：冗余并机功能；负载的电流均流；隔离功能5,6。 综上所述， 朝高频化、绿色化、全数字化、智能化、网络化、模块化等方向发展。模块化数字控制系统 全数字化是 一个重要的发展趋势，实现 数字化就是实现 数字控制系统。 1940 年以来，古典控制理论出现并发展起来，且至今仍广泛地应用在工程控制领域中， 1970 年左右，为了满足日益复杂、精度要求更高的控制要求，数字控制系统出现并发展起来。 70 年代后期， 微计算机技术的出现促进了数字控制系统的发展和应用，有效的推动了数字控制技术的进步。 90 年代，以其优越的数字运算能力著称的 片出现并投入使用，在数字控制系统中使用 片使系统设计更简单、运行更可靠、可移植性更强。 控制系统的作用就是对应用系统的某一或某些参量进行调节使系统的输出达到某一特定值或者某一特定范围数 字控制系统是指由微处理器 参与系统控制的开环控制系统或者闭环控制系统，与模拟控制系统相比，数字控制系统具有以下优点：运算速度快、存储量大、控制精度高和具有逻辑判断功能等，因此，采样数字控制可以实现更高级、更复杂的控制系统，通常数字控制系统的响应速度更快、运算结果更精密。 如图 1示，在这个闭环控制系统中，反馈的连续信号经过模 /数（ A/D）转换器进行采样，得到一串脉冲输出，然后用采样得到的脉冲输出和给定值进行比较，在采样过程中，要求采样频率均匀，采样信号的幅值为采样瞬时连续信号的幅值大小。经过计算机的运算处理，得到控制器的输 出值，其输出为一数字量，通过数 /模（ D/A)转换器使数字量转换成模拟的控制量。再根据该 模拟控制量去控制被控对象（负载） 。其中，华南理工大学硕士学位论文 6以微型计算机作为控制器。数字控制系统的控制规律是由软件算法来实现的，对相应的程序进行修改即可改变系统的控制规律。 图 1字控制系统的基本框图 字控制系统的特点 在设计控制系统时，首先需要选择采用模拟控制系统还是数字控制系统，在实际应用中，较复杂的控制系统一般采用数字控制。数字控制系统的特点是只能接受和处理数字量，所以在电路设计中必须配备 A/D 转换器、 D/A 转换器和各种接口电路等；其次，指令、反馈、校正都有计算机来完成，即用程序来实现，因此，通过修改软件即可改变系统控制的策略和结构，但是，由于受计算机运算速度的限制，采样周期不可能无限小，数字控制系统的动态响应性能往往比模拟控制系统要差。 （ 1）数字控制系统的优点 与传统的模拟控制系统相比，数字控 制系统能显著降低控制器的硬件成本，同时数字控制器轻便、功耗较小。 改善系统可靠性，使用 片简化了系统的硬件电路，减少了故障的发生。 数字电路不会面临温漂问题，也不会受到 系统参数变化的影响。但是当内部计算时需要注意数值的字长，采用适当定标可以保证计算的精度，避免误差的出现。 可以设计适合不同机电控制系统的硬件电 路，具有很大的灵活性，加快了产品的升级。 可以完成多种复杂的功能，比如数据运算和处理、反馈、校正、触发控制、 标变换等。 （ 2）数字控制系统的缺点 存在采样和量化误差。尽管计算机内部的数字量非常精确，但信号通过 D/A 转换器、 A/D 转换器，若字长有限，可能会出现量化误差。 响应速度往往低于专用的硬件或模拟系统 。尽管微处理器的速度提高很快，但第一章 绪论 7 任务量较大时仍需要较长时间，采样时间的延迟也可能造成系统的不稳定。 软件成本较贵，对于使用 数字控制系统，其开发和调试的成本都较高。 字控制系统设计 数字控制系统的设计主要包括对数字控制系统的硬件设计和软件设计，在设计硬件系统和软件系统时，应该参照以下一些标准和原则。 （ 1）数字控制系统的硬件 在设计以 片为主控芯片的数字控制系统时，通常需要考虑以下主要问题。 一般要求芯片内部自带 芯片，在设计硬件系统时可以不使用外扩储存器，而且易于程序的固化。 系统开发时需要考虑开发成本和产品成本 ，但是为了长远的发展，也要留有适当的余地，增强系统的扩展能力。 在设计系统结构时，除了满足系统功能需求之外，还要考虑后期的使用和维护，外围设备也尽量使用一个厂家的产品。 应选择资料和备件比较齐全的产品，最好厂家可以提供良好的技术服务。 提供使用方便的开发工具，可以使用如汇编、反汇编、 C、 C+等编程语言7。 （ 2）数字控制系统的软件 软件是完成各种功能的计算机程序的总和，整个系统都是在软件指挥下完成的。软件包括系统软件和应用软件，系统软件主要用于管理计算机及系统调试，包括汇编 /编译程序、操作系统、调试程序和软件仿真程序。在数字控制系统实现过程中，主要的工作是编写应用软件。 首先， 确定系统采用开环控制还是闭环控制， 如果是闭环控制必须先采集输出信号，将输出信号进行模数转换，然后反馈给控制器，控制器根据给定值与反馈值的误差来调节系统的输出，这些功能都能通过 现。 其次，必须综合考虑系统的软硬件功能，有些功能软件可以实现，硬件也可以实现，必须综合评估再确定采用哪种方法实现， 软件实现的成本一般较低， 但是开发周期较长，硬件实现速度快，但是成本较高。通常在系统设计时，尽量使用软件来实现系统的功能，根据具体情况也可以对部分软件进行固化。 最后，测试系统的性能是否能够达到系统设计的要求。总之， 术的发展和应用为信号处理和控制算法提供了更广阔的前景8。 华南理工大学硕士学位论文 本课题的研究意义及其主要内容 课题的研究意义 本课题基于华南理工大学与广东创电电源有限公司合作研发的项目 “基于 大功率 控系统的研制 ”， 项目的主要内容是研发大功率在线式 品的数字控制系统。 在线式 工作时，无论市电是否异常，输出负载都是由逆变器直接供电的，为了保证输出电压的稳定性，必须采用有效可行的控制方案对逆变器进行控制，如果输出端接线性负载，开环控制系统也可以保证输出电压的稳定性，但是如果输出端接非线性负载时，开环控制系统就不能满足需要了，这时，为了保持三相输出电压的稳定性必须采用具有反馈环节的闭环数字控制系统。 多年来，已经研究出了很多针对逆变器的数字化控制方法，比如数字 制、重复控制、无差拍控制、滑模变结构控制、模糊控制和神经网络控制等，这些控制方法基本上都是为了使逆变器的输出电压保持良好的动态特性和静态特性。 课题的主要内容 论文共分为四章，主要内容分别为： 第一章：绪论。按照工作方式对 行了分类，简要说明了 现状和发展趋势。 全数字化是 一个重要发展趋势， 数字的关键是实现 制系统，然后介绍了数字控制系统的优点和缺点，以及控制系统实现的一些基本原则。 第二章：空间矢量技术。讨论了矢量控制中的两个重要的坐标变换 讨论了 术和 制器的基本原理，然后对 法和 真模块，给出了与基本理论相符合的仿真结果。 第三章：解释了不平衡负载的含义，说明了在三相不平衡时分解出导致不平衡出现的负序分量和正序分量的方法对称分量法，提出了当负载不平衡时的三项逆变器的闭环数字控制方案，在 件的 具箱中建立了闭环数字控制系统的模型，进行了系统仿真并分析了实验结果。 第四章：在线式 环控制系统的实现。根据第三章得出的闭环控制方案，实现了系统的软件设计，在不同负载情况下，给出了样机运行的实验结果。第二章 空间矢量 制 9 第二章 空间矢量 制 言 三相 经过逆变器、变压器的三相输出电压保持稳定的幅值和频率。一直以来在三相 是空间矢量脉宽调制（ 术存在直流电压利用率低，谐波含量高等特点。 近年来，随着数字信号处理控制芯片的高速发展，其计算能力大幅度增强，使得易于数字化实现的空间矢量脉宽调制（ 术得到了迅速地发展，并广泛地应用到实际使用中，不仅仅在电机控制方面，而且在逆变器控制方面也有广泛的应用，并且有逐步取代传统 制的趋势。空间电压矢量 是一种优化的术，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉冲转矩 ,且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高9相对于 术，空间矢量脉宽调制（ 术具有更多的优点，更合适于今后的应用。 实现三相 字控制系统的关键是如何实现对三相逆变器的控制，要使三相逆变器保持稳定的输出，必须对其进行闭环控制，在闭环控制系统中的关键是如何在控制系统中应用各种先进的数字信号处理算法。 本章主要介绍了在三相 间矢量 制算法（ 法）和数字 换 在矢量控制中，逆变器的输出电压通常由空间矢量来描述，建立与各个物理量对应的动态模型。在矢量控制系统中，通常需要进行坐标转换，将坐标转换到 后对物理量进行控制， 如将三相交流电流 其中， 三相静止坐标系 a、 b、 c的 、 坐标系的 轴方向。 、 静止坐标系中的两相交流电流 d、 2。 华南理工大学硕士学位论文 换 首先说明 称为三相静止坐标系 和两相静止坐标系间的变换，该变换是将三相静止坐标系 a、 b、 、 。 设三相交流系统的各相电压分别为： 120 )120 )t(2 如式（ 2示，其中， 指 A、 B、 C 三相电压的瞬时值， 指相电压基波幅值。 2 20（ 2 20（ 2 图 2标转换图 101/ 2 3/ 21/ 2 3/ 2（ 2 为了能使上述变换可逆，现在需要找到一个矩阵 第二章 空间矢量 制 11 （ 2 对式（ 2行运算，得到： 2/32/302/12/1132P （ 2 换 根据 换进行推导，求的 换： 图 2换的坐标转换图 （ 2 由上式可以得： 22u （ 2 两式相加有： u （ 2 22 （ 2 两式相减有： u （ 2 可得： 华南理工大学硕士学位论文 12 （ 2 将式 (2入式 (2可得： 120 ) 120 )23 12