（控制科学与工程专业论文）锁相环在矩阵变换器中的应用研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 矩阵式变换器是一种新型交一交电源变换器，它已成为电力电子 技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。电网电压相位是实现 双级矩阵变换器控制的重要基准，过零点采集是一种传统的相位获取 方式。然而，这种方法不具有抗干扰能力，无法在电网电压畸变的条 件下获取基波相位。 论文在描述双级矩阵变换器原理的基础上，指出获取电网电压相 位的重要意义，通过分析传统过零点采集的缺陷，提出具有抗干扰能 力的三相锁相环是代替过零点采集获取电网电压相位的有效途径。 论文详细描述了建立在空间矢量坐标变换原理上的三相锁相环工 作原理，在此基础上提出三相锁相环的结构和数学模型，分析了电网 畸变条件下锁相环的工作情况及克服电网电压畸变的性能。 论文对三相锁相环及应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统进行 仿真，在电网电压畸变条件下获取了仿真结果，并且基于定点d s p 控 制器完成三相锁相环的实现。 论文最后完成应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统设计，并且 对系统进行试验，这是本论文的创新之处。 关键词双级矩阵变换器，三相锁相环，瞬时相位，同步旋转坐标系， 定点d s p 控制器 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h em a t r i xc o n v e r t e ri sad i r e c ta c a cc o n v e r t e rw i t hp e r f e c t p e r s p e c t i v e t h eo b j e c t i v eo fp h a s et r a c k i n gs y s t e mc a nb es t a t e da s t o t r a c ki n s t a n t a n e o u sp h a s ea n g l eo ft h ef u n d a m e n t a lc o m p o n e n to ft h e p o s i t i v es e q u e n c ev o l t a g e i tp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h eo p e r a t i o no fa s o r to f 鲥dc o n n e c t e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c es u c ha sm a t r i xc o n v e i r t e r t h ec o m m o n l yu s e ds o l u t i o ni sb a s e do nz e r oc r o s s i n gd e t e c t i o n h o w e v e r , t h i sk i n do ft r a d i t i o n a lm e t h o dc a nn o tg e ta c c u r a t ep h a s ei n f o r m a t i o nw h e n t h eg 订di si nt h en o n i d e a lc o n d i t i o n t h i st h e s i sm a d e c o m p r e h e n s i v e m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s f o r t h r e e p h a s ep l la n ds i m u l a t i o ni se x e c u t e da sw e l l g e n e r a l l y , d u r i n ga g r i dv o l t a g e sb e c o m ed i s t o r t e dt h i ss o l u t i o nc a ng i v eb e a e rf a u l t r i d e t h r o u g hc a p a b i l i t yt om a t r i xc o n v e r t e r f u r t h e r m o r e ，t h r e e - p h a s ep l lt oo b t a i na c c u r a t ep h a s ei n f o r m a t i o n w h e nt h eg r i dv o l t a g e sa r ed i s t o r t e dw h i c hi sb a s e do nf i x e d p o i n td s p c o n t r o l l e rb o a r dh a sb e e nr e a l i z e da n dt h ep e r f o r m a n c e sh a v e b e e n e x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e d f o ra b n o r m a lg r i dc o n d i t i o n sl i k eu n b a l a n c e ， f r e q u e n c yv a r i a t i o n ，p r e s e n c eo fh a r m o n i c s ，v o l t a g es a ga n ds w e l l ，f a u l t s ， p h a s ej u m p ，l i n en o t c h i n g k e y w o r d ss p a r s em a t r i xc o n v e r t e r , t h r e e p h a s ep l l ，i n s t a n t a n e o u sp h a s e ， s y n c h r o n o u s l yr o t a t i n gr e f e r e n c ef r a m e ，f i x e d - p o i n td s p c o n t r o l l e r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：鍪k 垫日期：盖垡盟年王月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲挺盟聊签缸嗍碑年扣群日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 矩阵变换器概述 矩阵式变换器是一种新型的交一交电源变换器。与传统的变换器相比，它具 有如下优点【1 】：不需要中间直流储能环节；能够进行四象限运行；具有优良的输入 电流波形和输出电压波形；可自由控制功率因数。矩阵式变换器已成为电力电子 技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。 1 1 1 矩阵变换器国外的研究发展 1 9 7 6 年，矩阵式变换器的概念和电路拓扑形式由l g y u g y i 和b r p e l l y 首先 提出。19 7 9 年意大利学者m v e n t u t i n i 和a a l e s i n a 证明这种频率变换器的存在， 促进了矩阵式变换器的迅速发展。他们首先在理论上证明了n 相输入、p 相输出 的矩阵式逆变器的实现条件，同时给出了一种电压控制策略，这种控制策略虽然 解决了矩阵式变换器的谐波问题，但也有输出输入电压比小于o 5 的严重缺陷。进 入2 0 世纪8 0 年代后期，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，矩阵变换 器的研究工作越来越被人们所重视。为了解决m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 控制方 案的不足，先后有许多学者对矩阵变换器进行了一系列的研究，并从不同的角度 提出了不同的控制方案。国外对于矩阵变换器的研究进入大发展阶段。 1 9 8 9 年，日本学者j o y a m a 等提出了一种最大最小输入电压调制技术。该 技术认为输出电压最小的相总是与输入电压最小的相相连，其余两相则利用p w m 调制技术对输入电压进行调制，输出线电压的最大值总是等于最大输入线电压函 数的最小值，即输出线电压总是在输入线电压的包络线之内。同年，还有南斯拉 夫学者l h u b e r 和美国学者d b o r o j e v i e 提出了基于电压空间矢量调制技术的方 法。该方法是根据矩阵变换器的功率开关状态，定义出输入电流和输出电压的六 边形开关状态矢量，然后，按输入矢量在任意时刻由其相邻的两开关矢量合成， 得到每一采样周期内的开关导通比，该技术已发展成为较成熟的技术。h u b e r 和 d b o r o j i v i c 进一步提出了一种基于空间向量调制技术的p w m 技术，最大电压传 输比可达到0 8 6 6 ，并通过实验样机带三相感应电机运行，证明采用空间向量调制 法的矩阵变换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1 ，输出电压可调 频调幅等特点；a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出输入双线电压瞬时值法，其调制实 质即任何时刻输出电压为两个输入线电压合成，从理论分析知当输入电流不对称 或含有高次谐波时，控制函数可以自动修正而不需要额外的计算量。这一点尤其 中南大学硕士学位论文第一章绪论 适用于某些电网不够稳定的场合。1 9 9 2 年c l n e r 和c d s c h a u d e r 提出了一种 应用于3 0 马力矩阵变换器的控制理论和实现方案，这种方案是一种去除直流中间 环节的逆变器方法的改进，它将控制策略分为“整流”和“逆变”两部分，三种开关分 别看作一种假想的电压源逆变器。“整流”部分对于每一开关组分别有“正负”两套 开关函数。 1 1 2 矩阵变换器国内的研究现状 我国矩阵变换器的研究起步较晚，大致从9 0 年代开始，南京航空航天大学、 上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等单位先后在不同的基金赞助 下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平【2 l 。 1 9 9 4 年南京航空航天大学庄心复教授对交交矩阵变换器空间矢量调制原理进 行仿真和实验研究。1 9 9 7 年至9 8 年穆新华在庄心复的指点下对交交矩阵变换器双 电压合成原理进行了仿真研究。1 9 9 7 年，上海大学基于空间矢量调制原理和 8 0 c 1 9 6 k c 单片机研制了用i g b t 作为功率开关的交交矩阵变换器实验装置，综合 指标达到国际先进水平。1 9 9 8 年西安交通大学王汝文教授等对斩波调制和交交矩 阵变换器控制的普遍性问题进行了研究，提出了一种功率因数可调，输入电流和 输出电压为正弦的调制函数。1 9 9 9 年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等专家建 立了交交矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出 阻抗等性能指标的解析表达式。同年，陈希有在其博士论文中对非对称输入条件 下三相矩阵式变换器的谐波进行了研究。为解决坐标变法电压传输比低的问题， 引进线一线换流法和改进的线一线换流法，减少了输出谐波，并将电压传输比提 高到0 8 6 6 。同时对几种不同类型的调制策略在非对称输入下的谐波状况进行了分 析。还有上海大学朱贤龙博士以s a b e r 软件为实验平台建立了基于空间矢量调制策 略的三相- - 相矩阵式变换器的仿真模型，提出了一种优化控制方法，简化了调制 过程，并降低了开关损耗。在此基础上，提出了一种三相交交矩阵变换器的优化 实现方案。在适当牺牲电流波形的基础上，使功率因数可以达到或高于具有直流 滤波电感的通用交直交变换器。随后，陈希有等对双电压合成的交交矩阵变换器 控制技术进行了两点改进：一是实现无功功率的正负调节；二是改善了在非对称 输入电压情况下的输入电流波形。2 0 0 0 年湘潭大学开始交交矩阵变换器的研究， 取得了一定的成绩，建立了交交矩阵变换器的仿真模型，制作了实验样机。2 0 0 4 年清华大学孙凯等对矩阵变换器在电源异常时的运行性能进行了分析，制作了实 验样机。他们的研究成果对交交矩阵变换器的分析与设计具有较大的指导意义。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 矩阵变换器的控制策略 目前，矩阵式变换器的调制策略可以主要分为以下三种【3 】： ( 1 ) 直接变换法。直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压” 的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法 虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的应用范围。如标量法 的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。 ( 2 ) 电流跟踪法。这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比 较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现 简单、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺点：开关频率不够稳 定、谐波随机分布，且输入电流波形不够理想、存在较大的谐波等。 ( 3 ) 空间矢量调制技术，又称为间接变换法、交一直一交等效变换法，是基于 空间矢量变换的一种方法，它将交一交变换虚拟为交直和直交变换，这样便可采 用目前流行的高频整流和高频p w m 波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的 改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制， 但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持。它是目前在矩阵式变换器 中研究较多也是较为成熟的一种控制策略，比较有发展前途。这种调制策略既能 控制输出波形，又能控制输入电流波形，可改变输入功率因数，是目前最具有前 途的一种调制策略。该类型矩阵变换器被称作双级矩阵变换器( t w o s t a g em a t r i x c o n v e r t e r ) 或稀疏矩阵变换器( s p a r s em a t r i xc o n v e r t e r ) ，它基于三相a c d c a c 双 级变换结构，不仅具有传统矩阵变换器的所有功能特点，而且还具备中间直流环 节无需储能元件、具有成熟的空间矢量调制方法等优点。双级矩阵变换器是一种 很有发展潜力的矩阵变换器。 1 2 锁相环在矩阵变换器中的重要作用 矩阵变换器的运行依赖电网电压相位【4 】，电网电压瞬时相位信息为矩阵变换器 控制提供计算基准，因此在矩阵变换器设计中具有重要意义。传统过零点检测是 最常用的相位获取方法，然而在存在电网电压畸变如谐波、频率突变、相位突变 以及三相不平衡条件下，传统过零点检测无法克服电网电压畸变造成的影响，从 而无法准确获取电压基波相位信息。例如，电网电压畸变条件下，电压信号零点 与基波零点不一致，甚至有可能在基波零点附近有多个信号过零点，使用这种方 法会得到错误的相位信息。根据同步旋转坐标原理设计的三相锁相环从理论上保 证了它可以有效克服电网电压畸变，快速、准确地锁定电网电压基波相位。因此， 可以通过锁相环改进电网电压获取方式来提高矩阵变换器的性能。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在双级矩阵变换器的设计中，准确测试电网电压相位对于整流级占空比的精 确计算有着重要意义，而三相锁相环就为准确测试电网电压相位提供了保障。 1 3 本文主要工作 本文的主要工作是根据同步旋转坐标跟踪原理，设计在电网电压畸变条件下 准确获取电网电压基波相位的三相锁相环，由此对传统基于过零点检测获取电网 电压相位的双级矩阵变换器进行改造。各章节内容安排如下： 第1 章绪论。本章对矩阵变换器的发展历史及国内外研究状况做简要介绍， 并且强调应用空间矢量调制技术的双级矩阵变换器具有很好的发展前途。同时， 本章指出了锁相环在矩阵变换器中的重要作用。 第2 章双级矩阵变换器的工作原理。本章介绍了传统矩阵变换器工作原理， 并且对具有良好前景的双级矩阵变换器做详细分析，给出逆变级及整流级的占空 比计算推导过程。 第3 章基于定点d s p 控制器的双级矩阵变换器设计。本章给出了双级矩阵变 换器系统实现框图，重点介绍了双级矩阵变换器系统的控制程序设计流程，最后 全面分析了采集过零点获取相位的原理和缺陷以及对此改进的必要性，指出了三 相锁相环具有抗干扰能力的巨大优越性。 第4 章三相锁相环设计原理。本章详细分析了建立在空间矢量坐标变换基础 上的三相锁相环原理，给出了三相锁相环的结构框图和数学模型，对电网电压畸 变条件下的锁相环进行分析，设计合理的环路滤波器。 第5 章矩阵变换器下的三相锁相环仿真及实现。本章描述了三相锁相环在 m a t l a b 环境下的仿真及结果，同时描述了三相锁相环系统的定点d s p 与f p g a 实现，并给出了试验结果。 第6 章应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统实现。设计了双级矩阵变换器 控制部分相关电路，主要包括过压、过流保护和缓冲电路等，详述了矩阵变换器 控制系统的硬件结构和软件设计；然后以定点d s p 控制器为核心搭建了双级矩阵 变换器的实验平台，实验结果验证了理论分析和仿真研究的正确性以及矩阵变换 器技术实现的可行性。 第7 章总结。本章对全文进行了总结。 4 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器工作原理 第二章双级矩阵变换器工作原理 2 1 双级矩阵变换器原理概述 2 1 1 传统矩阵变换器基本原理 简化的三相a c a c 矩阵变换器带负载的电路拓扑如图2 1 所示 5 1 ，由九个双 向开关组成一个3 3 矩阵，三相输入相电压分别为u 。、u 。、“。，输出电压分别为甜肚、 u a cu c a 。每个双向开关的拓扑结构如图2 2 所示，是由一个i g b t 和四个二极管组 成的分离式结构。 u 镒_ 喜 0a a s as b a a 毒b 髫 s b a & b s s c c c 卜 图2 - 1 三相一三相矩阵式变换器电路拓扑图2 - 2 矩阵式变换器双向开关构成 定义双向功率开关s ，的开关函数 s i ，= = ：。：蓁嚣，ze ； c ，6 ，c ? ) ，j e 彳，b ，c ) ( 2 一) 由拓扑结构可知，输入端三相电源之间不能短路，即同一行上的三个开关最 多只有一个导通；当输出端接感性负载时，输出端三相不能开路，即同一行三个 开关必须有一个导通。因此可得到约束条件 + 曲+ s , j = l( 2 2 ) 根据开关函数及约束条件可将组合状态分为三类：第一类开关组合为三个输 出相连接到同一个输入相，有三种情况。这类情况下输出线电压均为零，电压合成 矢量等于零，称为零电压矢量；输入电流均为零，电流合成矢量也为零，称零电流 矢量。在矩阵变换器的九个开关中，表现为同一列的三个开关同时导通，其他开 关断开，如表2 1 所示。 5 轧 比b 。少 中南大学硕士学位论文 第二章双级矩阵变换器工作原理 6 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器工作原理 惜融粥 定义耳牖为矩阵变换器的相- 相变换转移矩阵，其表达式为 = 茎 = 妻羹妻 睦 = k c 2 哪 可通过式( 2 3 ) 得到矩阵输出线电压与输入相电压之间的关系式 1 li 一一屯一如i l i = i “粥l = i 一一如一1 1 i = ( 2 - 6 ) 【- j 【一一一屯儿蚝j 定义，为矩阵变换器的相一线变换转移矩阵。 矩阵变换器的实现采用脉宽调制技术，采样周期为z ，若矩阵变换器的采样频 率足够高，则在一很短的采样周期内，表达式中的输出线电压z 么，可表示为 它们在一个采样周期内的平均值，称为变量的局部平均值( 甜肿，甜粥，“例1 ，则有 材a b 甜b c “c a d 诅一d b b d b b d b c d 目c d b t 7 鞠翻 仁乃 如叱 一 一 一 如如如l l l 中南大学硕士学位论文 第二章双级矩阵变换器工作原理 。= 妻三差妻三荔 2 1 2 双级矩阵变换器基本原理 如+ 略+ 略= 1 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式( 2 - 3 ) 可简化成一个两维方程嘲。引入两个附加点( p ，疗) ，式( 2 3 ) 可等效为 v u a = i l 1 j i = i l 勤 ( 2 - 1 0 ) z = 乏乏sj-,lf芝u q 小， 由式( 2 - l o ) 和式( 2 1 1 ) 可导出关于双级矩阵变换器的描述，如图2 - 3 所示。虽然 憎 n7 与p ab c 1 s b ps c p ru 4 ：1 s a 一s b p s c p 1 r s b ns s a n ts b n r s c n i 图2 - 3 含有虚拟直流环节的等效结构 2 2 逆变级空间矢量调制 输出电压空间矢量调制实质为直一交逆变，称为虚拟逆变部分，输入端为直流 电压u p ，输出为三相交流电压，如图2 - 4 所示。 8 r_j 如如叱 一 一 一 叱如如 中南大学硕士学位论文 第二章双级矩阵变换器工作原理 pb 小 b c - ，p s a p f s b p s c p n 一 拿舡r rs c n 图2 - 4 虚拟逆变部分结构 在图2 - 4 中，考虑到输入p 端，n 端不能短路，接感性负载时输出a 、b 、c 不 能开路的限制条件，因此在这一约束条件下共有八种开关状态组合。每种开关组 合时，三相输出线电压的合成空间矢量称为基本电压空间矢量u 、u 2 、以、u 、 瓦、瓦和两个玩，其中有两种开关状态对应零矢量，见表2 4 。以第一种开关状 态为例，开关、和导通，其余开关截止，此时有z 么= u 卵，“剪= 0 ， z 乜= 一u 肼，三个分量甜仰、材剪和z b 的合成电压空间矢量表示为u 。根据六种开 关状态定义空间矢量六边形，其中每6 0 4 范围为一个扇区，如图2 - 5 ( a ) 所示。 移嬲 j厉 u l 心 飞 j i i v u 曰。 ， f v i 义，i u 6 u c 9 中南大学硕士学位论文 第二章双级矩阵变换器工作原理 凹 图2 5 逆变级空间矢量调制示意图 表2 - 4 电压空间矢量开关状态表 根据表2 - 4 中非零空间矢量的开关状态对应的输出线电压与虚拟直流电压的 关系，结合空间矢量表达式，可得输出线电压基本电压空间矢量的模为 l 瓯l = i 瓦l - l 巧l = i 瓦| _ i 瓦卜i 瓦i = ( 2 压) 式中，为虚拟直流电压。 输出线电压合成空间矢量为 琢= ；( ”加+ u b c e j l 2 。 + e - j 1 2 。 ) 输出线电压局部平均值定义为 甜a b u b c u c a = 橱 c o s ( c 扫o t - c o o + 3 0 。) c o s ( f 一+ 3 0 。一1 2 0 。) c o s ( c o o t - c p o + 3 0 + 1 2 0 。) 1 0 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器工作原理 式中，为输出相电压的幅值，为输出相电压的初相。 将式( 2 1 4 ) 表示的输出线电压局部平均值代入式( 2 - 1 3 ) 中，整理得 琢= 4 7 0 - _ p h 吣w 玎) ( 2 15 ) 对于任意时刻的旋转电压空间矢量，都可由所在扇区的两个基本电压空间矢 量调制合成。如图2 - 5 ( b ) 所示，输出线电压的合成电压空间矢量可表示为 啄= 乏瓦+ 巧+ 瓦 ( 2 一6 ) 式中，i 为采样周期，瓦、易和瓦，分别为两个基本电压空间矢量瓦、瓦和瓦在 互内调制的时间。 根据数学上的正弦定理，可推导出占空比t ：l r 、t , l r 。、r o ，e 的表达式分别 为 畋= 毒= 万网i v - ；o i 血( 6 0 一) 办= 猕昏氏 d o v = t f o s v = 1 一以一办 ( 2 - 1 7 ) 式中，输出线电压合成空间矢量角巳 o 。，6 0 。 ，以、办、d o ，称为占空比，分别 表示瓦、瓦和瓦在一个乃内参与调制的占空比。 考虑式( 2 - 2 3 ) 、( 2 - 3 6 ) 和( 2 - 4 8 ) ，则有 丸= 争= s i n ( 6 0 。一岛) 1 s 略= 吨s i n 氏 ( 2 - 1 8 ) 伽等- 1 - 以一略 式中，o = 撕吨1 是输出电压调制系数。 以输出电压空间矢量处在第一扇区为例，分析输出线电压局部平均值的合成 情况，如图虚线所示。根据输出电压空间矢量合成规律，在艺时间内瓦对应瓦， 输出电压 必= 一，为零，u a b 为；在易时间内瓦对应两，i b c 为零， 而z b = 一，电压z 不变，还是。在瓦，时间内，三相输出线电压均为零。 中南大学硕士学位论支第二章双级矩阵变换器工作原理 k t s k _ 。 - u 一。 t b _ 一u 整流级p w m 调制的目的是在保持中间直流上正下负的同时，保证输入端单 位功率因数整流 7 1 。为了使u 。 0 ，并且尽可能地充分利用三相输入线电压以合 成较大的直流电压，另外考虑到输入端电压是对称平衡的，可以根据检测输入的 三相电压大小，将其分成6 个区间，如图2 - 8 所示。在每个区间，仅有一相输入电 压具有最大的绝对值。同时也发现，在每个区间都有两相的相电压符号相同，而 与第三相符号相反。在图2 - 8 所示的区间1 ，蚝一直为负， 。和虬为正。为保持中 间直流上正下负，可将一直导通，而将叱和酢轮流导通来实现p w m 高频整流。 这样，每个开关周期都分成两段：第一段中整流级开关屯和导通，其它开关关 断，直流端电压为l = 虬一；第二段中整流级开关和晶导通，其它开关关 断t 直# 端电压为u 。= “。一“。对其它5 个区间采甩相同的方法得到如表2 - 5 所 示的开关状态表。 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器工作原理 甘甘甘p s a p r s b p s c p u p n l 一 l n s ：，中 z ) n 矿一，sc n r 一， 臣7 虚拟型j 流吾：分j吉构 z i j ”3甜b甜c x 八八 八 xx ) 又 ， 2 uv 34 5 6l 8 三二相辛分入，乜压炙区问划分 1 目袭2 - ：；p w m整翔l 的jf 关状态 i 区间号第一段第二段第一段第二段 接通开关直流电压 接通开关直流电压 1 ， 一 ， 一 2 s h ，s 叩 u n t l b s m ，s 叩 锐d 一牡e 3 s 叩，s mt l d h cs b p ，s 牡b u c 4 s m ，s b p”b h cs ，s b p b h o 5 s b p ，s 科 u b t l o s 甲，s c m 口 6 s 。，s c pt l c 一”口s b n ，s c p 锐c u b 为了实现整流级输入端的单位功率因数，应保证各相输入相电流和输入相电 压同相位，即从各相输入端看进去，等效输入阻抗为纯电阻，各相的瞬时输入相 电压和相电流满足 丝：丝：丝：r l ok 1 3 ( 2 - 2 0 ) 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器工作原理 整流级输出电流( 即中间直流部分电流) 为恒定值，输出电压为恒定值。 如表2 - 5 所示，在每个p w m 开关周期内，开关一直导通，而和昆交替 导通，电流从a 相流入，分别轮流从b 相和c 相流出。假定吃和吃分别为开关 和在该p w m 周期内的占空比，则 = 乞= ( 吃+ 吃) = 一( + 屯) ( 2 2 2 ) u 朋= 屯0 口一) + 以0 。一心) ( 2 2 5 ) 刚瓷塞愁雌鞫 亿殉 d b = c c 。o s s 万见 ( 2 2 7 ) 吐：一c o s 万0 c ( 2 - 2 8 ) 。 c o s 见 2 羯 ( 2 2 9 ) 式( 2 2 9 ) 表明，在区间2 的整流输出电压u 朋是c o s o 的函数，在1 个p w m 开 是1 5 3 。其它区间占空比可以利用上述方法做相同的分析得到，从而可 ( 2 3 0 ) 坠呶 2 j c 4 兰孔 = 眇 u 中南大学硕士学位论文 第二章双级矩阵变换器工作原理 式( 2 - 3 0 ) q a ， 2 4 本章小结 c o s 吃= m a x ( 1 0 0 s o 。l ，i c o s 皖l ，l c o s 包1 ) ( 2 3 1 ) 本章首先分析了传统矩阵变换器的工作原理，给出了传统三相三相矩阵变换 器的主电路拓扑及开关函数，遵循输入端三相电源之间不能短路且输出端三相不 能开路的原则，将传统矩阵变换器的开关组合状态分为三类，共包括2 7 种组合情 况，分别以表格形式列出。在得出矩阵变换器开关组合状态的基础上，给出矩阵 变换器输出线电压与输入相电压之间的关系式及输入相电流与输出相电流之间的 关系式，并定义矩阵变换器的占空比矩阵。本章随后详细介绍了引入虚拟直流环 节的双级矩阵变换器工作原理，虚拟逆变部分即逆变级采用空间矢量调制原理进 行调制，推导出逆变级占空比的计算公式，虚拟整流部分即整流级采用p w m 调制， 列出整流级p w m 调制的开关状态，最后推导出整流级占空比的计算公式。 1 5 中南大学硕士学位论文 第三章基于d s p 的双级矩阵变换器设计研究 第三章基于d s p 的双级矩阵变换器设计研究 数字信号处理器( d s p ) 以高速数字信号处理为目标进行芯片设计，采用改进型 哈佛结构、硬件乘法器、流水线技术、独立的地址产生逻辑，具有并行处理和专 门用于数字信号处理的特点。d s p 芯片以其强大的运算功能在通信、电子、图像 处理等各个领域取得了广泛应用。 3 11 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 控制器简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是1 i 公司推出的d s p 控制器系列中最具代表性的产品之一 8 1 ，可以达到4 0 兆指令每秒( 4 0 m i p s ) 运算速度。片内集成有1 6 位硬件乘法器、3 2 k 字f l a s h 、带有1 6 个模拟输入通道的高速1 0 位模数转换器、多个功能丰富的通 用定时器、多路可编程脉宽调制输丑( p w m ) 、多路信号输入捕捉( c a p ) 、光电编码 盘接1 3 ( q e p ) 以及业界通用的异步串行接口( s c i ) 、同步串行接e i ( s p i ) 和c a n 总线 接口。这些丰富的片上资源使得1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在工业控制中尤其是在电机控制 中与传统的单片机相比具有极大的优势。 3 2 系统设计概述 本章提出采用d s p 作为控制核心，应用复杂可编程逻辑器件c p l d 实现换流 策略的矩阵变换器全数字控制方案【9 】，实验结果证明了这种方法的可行性与可靠 性。双级矩阵变换器主电路拓扑如图3 1 所示，系统框图如图3 2 所示。 图3 - 1 双级矩阵变换器的主电路拓扑 1 6 中南大学硕士学位论文第三章基于d s p 的双级矩阵变换器设计研究 uvwn 图3 - 2 双级矩阵变换器系统框图 3 3 系统软件设计 d s p 控制器程序采用标准的前后台系统【1 0 1 。前后台系统是指不使用实时操作 系统的嵌入式应用程序。d s p 控制器程序包含一个死循环，称之为任务级，而系 统对中断的响应可以看成是前台程序，前台也被称为中断级。 3 3 1 系统中断服务程序流程 系统中断服务程序流程如图3 - 3 所示。 ，启动定时器 周期中断 堡竺翌望l j 妇 翌卤 d s p 向c p l d 发送上一i 步计算得到的占空比i n 匝堕堕巫圜 i 调用逆变级调制模块l 】扫 重匈 厂而福一 ! 竺望塑l 图3 - 3 中断服务程序流程图 中南大学硕士学位论文第三章基于d s p 的双级矩阵变换器设计研究 3 3 2 逆变级调制模块 双级矩阵变换器逆变级调制仿照电压源型逆变器s v p w m 调制原理【l l 】进行。 其流程图如图3 - 4 所示。 i 合成电压卒问矢量 l辐角更新 上 l 埘算 上 扇区号计算 上 扇区角计算 上 l 逆变级占空比计算 上 i子程序返回 图3 - 4 逆变级调制流程图 ( 1 ) 合成电压空间矢量辐角更新子模块 算法及功能描述：该模块对合成电压空间矢量辐角进行更新，每执行一次该 模块，合成电压空间矢量的辐角口增加3 6 。，口完成更新。如果更新后口大于或等 于3 6 0 。，则将口一3 6 0 * 赋值于口，口完成再次更新。 ( 2 ) v r e f 计算子模块 算法及功能描述：当前合成电压空间矢量匠以叻坐标系上的分量形式、 给出( 口为合成矢量瓦的辐角) ，具体算式为 i 瓦i - - m ( m 为调制度) ( 3 - 1 ) = m c o s a( 3 - 2 ) = m s i n c r( 3 3 ) - = ( 3 - 4 ) ：= ( 历玩一) 2 = s i n 6 0 。一s i n 3 0 。( 3 - 5 ) ，= ( 一豇一) 2 = 一s i n 6 0 。一s i n 3 0 。( 3 - 6 ) ( 3 ) 扇区号计算子模块 算法及功能描述：根据已计算出的中间变量v 佗n 、v 眈、v m b 的值计算出合成 电压空间矢量所在扇区的扇区号。中间变量n 的值为 1 r 中南大学硕士学位论文第三章基于d s p 的双级矩阵变换器设计研究 = j 忉( 1 ) + 2 s i g n ( v , 可2 ) + 4 s i g n ( v 3 ) ( 3 7 ) 式中，s i g n ( x ) 是符号函数。如果x 0 ，s i g n ( x ) = 1 ；如果x 0 时，d 轴滞后品，；l d s q o n f 1 掌 蝗 基 o n r 。 尊 t 1 2 0 m s l 格1 1 2 0 m s 格 图5 2 9 频率突变条件下的试验结果图5 - 3 0 含有谐波且频率突变条件下的试验结果 5 l 中南大学硕士学位论文第五章在矩阵变换器下三相锁相环仿真及实现 5 8 本章小结 本章对三相锁相环以及应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统进行仿真。首 先描述各个子系统的仿真结构，包括a b c 一由0 变换子系统、三相平衡电压子系统、 三相不平衡电压子系统、含有6 次谐波的三相电压子系统、相位突变的三相电压 子系统以及频率突变的三相电压子系统，然后在三相锁相环系统结构的基础上给 出三相锁相环的仿真结构，最后得到五种条件下三相锁相环的仿真结果，仿真结 果显示三相锁相环在三相平衡、三相不平衡、含有谐波、相位突变、频率突变这 五种条件下良好地实现了相位同步。 本章将三相锁相环植入双级矩阵变换器，给出仿真结构及仿真结果，仿真结 果表明应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统性能良好。 本章给出一种高效的4 8 位定点扩展精度算法，基于此算法通过定点d s p 实现 三相锁相环并构造试验电路，试验电路波形表明基于定点d s p 实现的三相锁相环 在电网电压畸变条件下良好地实现了相位同步。 本章最后描述了基于f p g a 实现的三相锁相环系统，其性能亦达到要求。 5 2 中南大学硕士学位论文第六章应用三相锁相环的双缓矩阵变换器系统设计 第六章应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统设计 利用三相锁相环代替过零点采集作为电网电压基波相位获取方式而构建的双 级矩阵变换器系统结构框图如图6 - 1 所示。 璺旧 l _ _ _ _ _爿 i 孓 图6 - 1 氟级矩阵变换器系统结构框图 61 矩阵变换器控制系统设计 双级矩阵变换器控制系统是双级矩阵变换器的关键部分之一，是双级矩阵变 换器控制策略得以实现的硬件基础。基于间接法调制策略的双级矩阵变换器控制 算法比较复杂，要求处理器具有较高的运算能力、运算速度和实时处理能力，本 文选用高性能、高处理速度的数字信号处理器( d s p ) 实现控制系统的设计。 61l 矩阵变换器控制系统构成 图6 - 2 给出了矩阵变换器的系统硬件及其连接关系框图。矩阵变换器实验装置 中采用i g b t 做主功率器件，d s p 做系统的控制核心。三相输入电压经同步变压器 送至d s p 完成采集，因为控制输入功率因数为1 ，也就确定输入相电流的位置。 三相输出电流经霍尔传感器得到电流信号，送给输出电流检测电路和保护电路， 输出电流检测电路提供输出电流极性信号供c p l d 实现换流逻辑，保护电路监测 过流，一旦过流输出故障信号到c p l d 进行故障保护处理。d s p 实时处理各个变 量之间的关系，计算并执行调制策略，输出信号脉冲到c p l d 以驱动功率开关， 同时它也接受c p l d 发出的故障信号，发生故障时转入故障模式运行。 中南大学硕士学位论文第六章应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统设计 三相输入 图6 - 2 矩阵变换器硬件结构图 系统中d s p 控制芯片采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，它是专用于电机数字 控制的芯片。其内部除集成高达3 2 k 1 6 位的f l a s h 程序存储器、5 4 4 字片内双口 r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ； b ，还集成了电机数字控制所需要的 模数转换器( n d c ) 、p w m 信号发生器、正交解码器脉冲电路( q e p 电路) 、4 个定 时器、串行通讯接口( s c i ) 、1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块、控制器局域网络 ( c a n ) 2 0 b 模块、看门狗模块等片内外设，大大简化了电机控制所需的外围电路。 6 1 2 矩阵变换器控制系统的硬件电路设计 ( 1 ) i g b t 驱动电路设计 在硬件电路设计中为了降低成本，没有选用模块化封装形式的i g b t ，而是选 用s i e m e n s 公司的型号为b u p 3 1 4 d ，参数为1 2 0 0 v 4 2 a ，t o 一2 1 8 封装形式的优 质单管i g b t 。驱动芯片选用a g i l e n t 公司单路驱动模块h c p l - 316 j ，该模块可 驱动1 2 0 0 v 15 0 a 的i g b t ，有过流保护( o c ) 、短路保护( s c ) 、欠压保护0 r v ) 、复 位控制和软关断等功能。电源电压+ 1 5 v 、5 v ，输入电平+ 5 v ，开关频率达1 m h z 。 h c p l 3 1 6 j 内部集成光电耦合器起电气隔离作用，输入、输出绝缘电压高，共模 抑制电压达1 5 0 0 v ，其驱动电路如图6 3 所示。 驱动i g b t 时，可能在i g b t 的g e 间产生寄生电容，产生过大栅极电流，则 应在栅极串联一个驱动电阻，该电阻过大，驱动信号陡度变缓，开关时间变长， 增加开关损耗；该电阻过小，驱动电流变化率增大，引起误导通或烧坏开关器件。 该电阻的选择与开关频率有关，一般开关频率，= 1 ，l o k h z 时，选r ，= 1 0 q 1 0 0 r 2 。 中南大学硕士学位论文第六章应用三相锁相环的双级矩阵变换器系统设计 匝 7 w d , 嗍3 1 v e r _ 丁 寻，d 。；u1 1 0 0 旷 l 三 v n v t l 皓, 一广fv koest 一t ，唑唧 l c )o 埘丰。二_ 雌 lr 。- 3 3 i q q l 二-a v。ct_ l v f l 8 v 广r 弋i l 中附 已 r e s e tv c 三厂( 匝 f 扎l 1y t “ 1l 0 1 i i f 弼o 矿= r - rvl_擀v皇 罢1 4 7 垃 = - f。甲v | 丽， l 二_ v u m -v 正 图6 3h c p l 3 1 6 j 驱动电路 受集电极与栅极之间电容影响，当i g b t 的c - e 间电压突然升高时，过大的 产生很大集电极栅极充电电流，有可能使栅极电位升高，导致i g b t 误导通。为 确保关断时i g b t 保持断态，则在栅极施加高于5 v 负偏压，避免i g b t 误导通。 为了防止在开关切换过程中，高电压引起i g b t 误保护，应在驱动模块d e s a t 管 脚与负电源之间加一个稳压二极管。h c p l 3 1 6 j 驱动导通电压+ 1 5 v ，关断电压5 v ， 其时序和保护逻辑如图6 4 所示。 n o r m a l f a u l t o p e r a l l o nc o n d l l l o nr e s e t 0 矿 图6 - 4h c p l - 3 1 6 j 时序图 ( 2 ) i g b t 保护和缓冲电路设计 为保证控制系统可靠工作，首先保证i g b t 可靠工作，因此驱动电路保护环节 必不可少，下面主要介绍过流、过压保护和缓冲电路设计。 过流保护分为i g b t 器件过流保护和控制器过流保护两部分。器件过流保护通 过驱动模块h c p l 3 1 6 j 的过流检测信号来完成，当出现过流时，h c p l 3 1