（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器在交交变频调速中的应用研究.pdf

湘潭大学硕士论文 a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri san o v e la c - a cp o w e rc o n v e a e lc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lp o w e r c o n v e r t e r , i th a sa f e w a d v a n t a g e s ：t h el a c ko f d cq i n k t h e a b i l i t y o ff o u r q u a d r a n to p e r a t i o n , t h e e x c e l l e n t w a v e f o r m so fm p u tc u r r e n ta n do u t p u tv o l t a g e ，v a r i a b l ep o w e rf a c t o r i n p u tc u r r e n t b e c a u s eo fs u c ha d v a n t a g e s m a t r i xc o n v e r t e rw i l lb e p r o s p e r o u s i nt h ef u t u r e i na b r o a d t h er e s e a r c ho fi th a sd e v e l o p e df o ra f e wt i m e s b u ti nc h i n 乱t h er e s e a r c ho n l yh a sb e g u n l a t e l y as e to f e x p e r i m e n te q u i p m e n to f m a t r i xc o n v e r t e rb a s eo n s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g ya n df o u r - s t e pc o m m u t a t i o ni sd e s i g n e da n d d e b u g g e d a tf i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o b l e mo f b i - d i r e c t i o n a lo f m c ，a n d w r i t e st h e p r o g r a m o f f o u r - s t e pc o m m u t a t i o nb y d l ，t h e n r i s e st h es o f t w a r eo fm a x p l u s i it oc o n f r e r et h e v a l i d i t y o fi t b y s i m u l a t i o n s t h e n , as e to f e x p e r i m e n te q u i p m e n to f m a t r i xc o n v e r t e r i s e s t a b l i s h e d n l ec o n t r o l l e ri s d s p , c p l di sd e s i g n e df o r as w i t c h t r a i n , i m b h 6 0 - 1 0 0i g b t i sp o w e rs w i t c hd e v i c ea n de x b 8 4 0i sd r i v e r t h er e s u l 招o ft l l ee x p e r i m e n ts u c c e s s f u l l ys h o wm a ti tc a nr e a l i z et h e m o d u l a t i o no ft h e f r e q u e n c y o ft h e o u t p u tv o l t a g e m e a n w h i l e ，i t v a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo f f o u r s t e pc o m m u t a t i o ns t r a t e g y k e yw o r d ：m a t r i xc o n v e r t e rf o u r - s w pc o m m u t a t i o n c p l d s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o na c a ci n v e r t e r 湘潭大学硕士毕业论文 1 1 概述 第一章引言 交流变频调速已成为当代电气传动中实现自动化和节能的主要 技术手段，其发展突飞猛进。然而目前流行的交一直一交变频器和交一 交周波变换器电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位 总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。电流死区和电流断 续等使得输入电流谐波含量大，对电网产生谐波污染。随着变频调 速的推广应用，防治“电力公害”变得日益重要。无功补偿和有源 滤波是当前主要的防治手段。更根本的办法则是开发高功率因数和 低谐波污染的电力电子变换器，矩阵变换器正是适应这一需要而诞 生的。 矩阵变换器的电路拓扑形式早已提出，但直到1 9 7 9 年，意大利 学者m v e n t u r i n i 提出的矩阵变换器理论及其控制策略后才使人们 开始这方面的真正研究。与传统的交交变频器和交一直一交变 频器相比，矩阵交一交交换器具有以下几个显著特点阻。8 1 ： ( 1 ) 控制自由度大，输出电压可调，输出频率既可比输入频率 高，也可以比其低，理论上可为任意值( 以功率开关为理想开关和 控制器处理速度够快为前提) 。 ( 2 ) 输入功率因数可任意调节，可超前、可滞后，可调至其逼 近于1 。 ( 3 ) 采用双向开关，能量可双向流动，尤其适合于电机的四象 限运行。 ( 4 ) 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高。 由于具有以上优点，矩阵变换器成为电力电子技术目前研究的 热点之一，可在以下领域中发挥作用： 湘潭大学硕士毕业沦文 ( 1 ) 用于转速较低的传动系统：由于矩阵变换器省去中间储能 环节，直接进行交交变换，电压传输比受到一定的限制，用于交 流电机调速时会出现输出电压不足的问题。 ( 2 ) 用于电源产品：在矩阵变换器的调制理论和实现技术较为 成熟时，可以进行a c d c 、d c _ a c 、d c _ _ d c 变换，与目前的电源 产品相比，它有一定优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结 构紧凑寿命长，因此，矩阵变换器的研究有良好的市场前景。 ( 3 ) 用于高压大功率变换：如前所述，矩阵变换器有输入输出 电压比不够高的缺点，但在需要高压的场合，可以将矩阵变换器串 联使用，达到高压大功率输出的目的。 ( 4 ) 用于功率因数校正：由于矩阵交换器的输入功率因数可以 任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的 功率因数。 1 2 矩阵变换器的典型调制策略 矩阵变换器的调制策略用开关函数矩阵来描述，开关函数矩阵 的确定主要有直接变换法，间接变换法两种。直接变换式是通过对 输入电压连续斩波来合成输出电压，包括坐标变换法、谐波注入法、 输入电压瞬时值控制法。间接变换法又称为交直一交等效法，将矩 阵变换器等效成虚拟的整流器和逆变器两部分。主要以空间矢量调 制法为代表。 ( 1 ) 空间矢量调制法 它是一种间接变换式的控制方法 9 - i o ，也是目前最活跃，较为 理想的调制方法之一。它采用目前流行的高频整流和高频p w m 波形 合成技术，使矩阵变换器的性能得到较大的改善。虽控制方案较为 复杂，缺少有效的动态理论分析支持，但是，它能将整流和逆变一步 完成，使低次谐波得到了较好的抑制。这种调制策略既能控制输出 电压波形，又能控制输入电流波形，并且输入功率因数可改变，是 目前最具有前途的一种调制策略。 湘潭大学硕士毕业论文 本文采用此种调制策略，并将在第二章进行详细介绍。 ( 2 ) 坐标变换法 矩阵变换器的拓扑结构最早是在1 9 7 6 年提出后并未引起广泛 关注“。川，直到1 9 8 1 年在意大利学者a a l e s i n a 和g b v e n t u r i n i 从傅立叶变换和卷积理论出发论证了矩阵变换器高频综合定理之 后，矩阵变换器的理论才开始迅速发展。a l e s i n a 和m v e n t u r i n i 根据高频综合定理提出了一种具体的三相到三相矩阵变换器的开 关调制矩阵。该调制矩阵元素由一个直流分量和两个交流分量组 成。交流分量的角频率分别是c o o + o ) i 和c o o q ，其中o ) o 、皑分别表 示期望的输出电压和输入电压角频率。将输入角频率c o , 变换成输出 角频率c o o 可以看成是一种坐标变换，所以称为坐标变换法。 ( 3 ) 谐波注入法 坐标变换法矩阵变换器的输如、输入电压增益偏低，为了提高 电压增益a h l e s i n a 和g b v e n t u r i n i 又提出了两种谐波注入式控 制策略，通过在输出电压中注入零序谐波分量使得输出电压的正负 极值随着输入电压的包络线变化而变化并在任何时刻始终位于输 入电压包络线之内。谐波注入法的电压增益可以达到理论上的最大 值0 。8 6 6 ，输入功率因数角也可在负载功率因数角的正负范围内独 立调节。但它的计算量大，开关状态复杂，因而对控制系统要求很 高。 ( 4 ) 输入电压瞬时值控制法 所谓双电压合成，就是当输入电压和输出电压位于某时间段时， 在开关周期内，用两个输入线电压的线性组合来合成两个满足三相 对称规律的线电压。双电压瞬时值控制技术是由日本学者 a i s h u g y r o 和t f u r u h a s h i 提出的。双电压控制技术是较为理想的 矩阵变换器的控制方法之一。这种方法是根据输入两相相电压的瞬 时值确定其控制函数，以实现对矩阵变换器的控制。频率直接转换 技术的模式在交一交变换时直接产生，而且还可以获得较高的电压 传输比。该技术在改善对变换器开关频率的限制、提高电压传输比 等方面有独到之处，当输入电源不对称或含有高次谐波时，控制函 湘潭大学硕士毕业论文 数可以自动修正而不需要额外的计算量，因而非常有利于实时控 制。 1 3 矩阵变换器的换流方法 安全换流技术是矩阵变换器应用的关键技术之一“+ ”1 。在两个 双向开关间实现负载电流转换时，为了保证负载电流连续，且输入 电压不能被短路及输出电压不能被断路，因此换流时既不能插入死 区又不能出现交叠现象，这是矩阵变换器的控制难点。 早期曾在两个开关换流期间通过插入死区时间来完成安全换 流。该换流模式允许插入死区时间以避免非理想开关的电流峰值， 同时建立了一个感性负载的续流通路，以避免过电压的产生。该方 法使得电力电子器件处于硬开关过程，开关损耗大，但控制方法简 单。 1 9 8 9 年n b u r a n y 指出双向开关问的安全换流不能一步实现】”1 。 他提出了著名的四步换流策略，属于一种半软换流策略，也是目前 研究最多，被认为是最有前途的一种用于矩阵变换器的换流方法， 同时也是本文所用到的换流策略。 此外还有一种换流方法，即两步换流法“”。该方法对电流方向 检测的准确性要求很高，而且不适合在低电流场合使用。 1 4 矩阵变换器的研究现状 目前对矩阵变换器的研究尚处于完善理论、仿真和实验阶段。 由于和已有的变换器相比，矩阵变换器所体现出的诸多优点，加上 电力电子器件、控制技术和微处理器的不断发展，矩阵变换器的研 究已经形成热点。 在国外，9 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心的l h u b e r 、 d 8 0 r o j e v i e 和我国访问学者庄心复等在f r e d c l e e 教授的带领 湘潭大学硕士毕业论文 下，采用m o s f e t 作为功率开关，制作出输出电压和输入电流都为正 弦波、开关频率2 0 k h z 、负载为2 k v a 的矩阵变换器的实验装置。 近段时间，由r w e r i c k s o n 等学者提出了一种新型的矩阵变 换器拓扑结构，和以前所提出的拓扑结构不同在于采用了h 桥型的 开关单元，目的是为了实现矩阵变换器的输出电压可以任意调节。 此外，l i x i a n gw e i 和t a l i p o 等提出的种稀疏矩阵变换器的 拓扑结构，主要优点是减少了开关数量。 我国在这方面的研究开始于9 0 年代初。1 9 9 4 年，南京航空航 天大学的庄心复，在电力电子技术一k 最早将矩阵变换器介绍给 国内同行“。9 0 年代末，上海大学、哈尔滨工业大学等单位先后在 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。上海大学的陆海惠博士基于空间矢量原理和8 0 c 1 9 6 k c 单片机 研制成功了用i g b t 作为功率开关的矩阵变换器实验装置“”“，开关 频率为8 i ( 1 z ，最高输出频率为3 2 0 h z ，设计容量为2 i ( v a ，综合指标 达到了国际先进水平。2 0 0 0 年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等 建立了矩阵变换器的电路分析的等效电路，得到了输入电流、功率 因数、电压增益、输出阻抗、输入电流改善等性能指标的解析表达 式”2 。1 9 9 9 - 2 0 0 0 年，福州大学对电流滞环的矩阵变换器进行了一 系列研究1 。2 0 0 1 年，华中科技大学也提出了一种新型的三相一 相的矩阵变换器。2 0 0 1 年，上海大学陈伯时提出了输入非平衡时改 善输入电流谐波的调制策略【2 。2 0 0 2 年，浙江大学贺益康等提出了 矩阵变换器在风力发电方面的应用。清华大学邓毅晟等提出了用 d s p 和p l d 实现四步换流。2 0 0 3 年，湘潭大学朱建林等开始从事提 高矩阵变换器电压传输比的研究。”。但总的来说，我国的矩阵变换 器的研究工作无论在理论上还是在实际研制上，与国际领先水平相 比，还有不小的差距。 除了国内外学者对矩阵变换器感兴趣之外，其优良的性能也吸 引了许多公司。2 0 0 1 年，富士电机将矩阵变换器定为以后的发展目 标。但目前还未见到成熟的产品化的矩阵变换器批量生产。 湘潭大学硕士毕业论文 1 5 本文所作的工作 本文基于空间矢量调制策略，运用d s p 和c p l d 器件对矩阵变 换器交一交变频调速系统进行了设计，全文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对三相一三相矩阵变换器的空间矢量调制策略和四步换流 技术进行分析。 ( 2 ) 运用m a t l a b 软件对空间矢量调制策略和四步换流技术进 行仿真，验证其可行性。 ( 3 ) 用d s p 汇编语言编写控制程序，使其产生实时的p w m 控 制信号。 ( 4 ) 用可编程逻辑器件c p l d ( e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 ) 实现双向开 关的四步换流，使用v i i ) l 语言编程。 ( 5 ) 对整个控制系统，包含主电路、译码电路、独立电源和 驱动电路等，进行最简单的设计和改进，硬件以d s p2 4 0 7 a 为核心。 ( 6 ) 软件和硬件实现联调，在带三相对称感性负载下得到实 验波形，且进行分析。 湘潭大学硕士毕业论文 第二章矩阵变换器的原理 2 1矩阵变换器的拓扑结构 传统交一交变频器的优点是效率高、耐过负荷能力大、输出电 压和电流为正弦波，技术成熟、可靠，功率变换器件可以采用s c r 等。其缺点是所用元件比较多，功率因数较低，输出频率低，最高 输出频率仅为电网频率的1 2 - 1 3 ，通常只用于低频、大容量变频 传动的场合。新颖的矩阵变频电路所用的控制方式是斩控方式，从 理论上讲，矩阵变换器的输入可以为m 相频率为f 。的交流电，输出 为n 相频率为f 2 的交流电。但目前的研究当中以三相一三相矩阵变 换器为主要研究对象，其拓扑结构如图2 1 所示。它由九个有双向 阻断能力和自关断能力的功率器件组成，每一相负载分别与三相电 源相连，可实现对输入电源幅值和频率的交换，向负载提供幅值和 频率可任意调节的三相交流电。 b 暑 图2 - 1 三相一三相矩阵变换器的拓扑结构 湘潭大学硕士毕业论文 2 2 矩阵变换器的开关传递函数 三相输入相电压设为圪，圪， m 降粥 k ，幅值为，角频率为c o , ，即： ( 2 1 ) 矩阵变换器的三相输出线电压分别为、，幅值 为，角频率为o j o ，初始相位角为能，即： c o s 瓴f - 吼+ x 6 )1 lv b 。l = 帆1c o s ( o d o f 一纯+ 7 r 6 2 7 r 3 ) l ( 2 2 ) i v & jl c o s ( o p o t 一亿+ 石6 + 2 帮3 ) 则存在3 * 3 占空比矩阵t ，使得 阱，阳 亿3 ， l jl 屹 矩阵t 可以写成如下形式： c o s ( ( o o t - 妒o + 硝，6 ) r c o s h 卜仍) 丁= m ic o s ( m o t - 伊0 + ，r 6 2 x 3 ) i 1c o s b f 一仍一2 x 1 3 ) l ( 2 4 ) l c o s ( 国o f 一吼+ 万 6 + 2 r c 3 ) jl c o s ( ( - o i - p t + 2 t r 3 ) j 其中m 为调制系数，且0 m 1 ，仍为任意的输入功率因数角， 而且有下列关系式： = 掣* m * c o s 仍( 2 5 ) 因此，选择不同的识就可以调制出不同的输入功率因数，它可 以超前，滞后或为1 。同时三相矩阵式变换器的输入与输出的最大 电压传输比为0 8 6 6 。在实际运用时，占空比传输矩阵t 根据调制 策略进行实时计算而得出。 湘潭大学硕士毕业论文 2 3 矩阵变换器的控制策略 2 3 1 空间矢量调制 空间矢量调制法( s v m ) ，基于输出电压和输入电流的瞬态空间 矢量表示法，能充分控制任一瞬间输出电压矢量和输入电流矢量之 间的偏置角。”“。此算法的有效性，受矩阵变换器本身的限制外， 与电源的扰动无关。图2 一l 中满足矩阵式变换器输入电路不短路、 输出电路不开路的开关组合共有2 7 种。其中只有2 1 种开关组合( 包 括3 个零矢量) 能被s v m 算法所用。这2 1 种开关组合列在表2 一l 中。表2 - 1 中的前1 8 种开关组合有一个共同特征：两个输出相与 同一输入相相连，它们被称为“有效组合”。后面的3 个开关组合 定义零输入电流矢量和零输出电压矢量，被称为为“零组合”。剩 下的6 个开关组合中，其三个输出相分别与不同的输入相相连。在 这些情况下，输出电压矢量与输入电流矢量方向不定，不能用来合 成参考矢量，所以没有采用。 在每一个采样周期内，s v m 算法基于选择四个有效的开关组合， 它们都有其对应的占空比，零组合辅助四个有效的开关组合来完成 一个采样周期t 。所需要的时间。 在任一采样瞬间，输出电压矢量死和输入电流矢量的偏置角仍 都为参考量。输入相电压矢量己由电源电压决定，可由实时测量获 得，v ，为输入线电压矢量。因此，对输入电流矢量相角房的控制就 可以实现对偏置角仍的控制。 为了说明控制算法，这里假定输出电压矢量霸和输入电流矢量 i ，都在图2 2 和图2 3 中的区。图2 - 5 为输出电压的空间矢量调 制图，参考电压矢量瓦沿着两个相邻矢量方向分解成两部分：和 ，其中可由与它同方向的两个电压矢量合成得到。由于每组开 关组合既确定输出电压矢量，又确定输入电流矢量。因此在合成 的六个可能的开关组合中( + l ，一1 ，十2 ，一2 ，十3 ，一3 ) ，还要考虑 输入电流的调制方向，而+ 2 和一2 所对应的电流矢量在区范围外 湘潭大学硕士毕业论文 ( 参考图2 3 ) ，这样就排除了两个开关组合( + 2 和一2 ) 。 表2 - 1s v m 算法使用的开关组合 开关 a bcy v b cy c a f di b1 。k口。i tp 。 组合 + l a b b v 0一v 口6一i a 0 2 | 4 3v 兀f 62 3i 4 一x 6 1 ba a v d0v 一0 2 4 3v 1 r 6 2 压i 1 r 6 + 2b cc c 0 一”b 0 一i 2 , f i 。7 r 6 2 3i a 7 r 2 2 c b b v k 0 v k 0 一f 2 i 矗vb ：丌 62 囊i a 7 r 1 2 + 3 ca a v c a 0 一 一i 0 2 西v ，。t r 6 2 , f ii 7 n 6 3 acc一0 v 。i a0 一“ 2 , f iv 。1 r 6 。2 压77 r 6 + 4ba b 一”0i 8 一i b 0 2 压l p a b5 x 62 西i b 1 r 6 4a b a v d 一 c a b 0 一i b b 0 2 压v a b5 7 c 6 - 2 一3i b 一7 r 6 + 5 c bc v k v k 0 0 b i b2 压v b 。5 1 r 62 囊l b i r 2 5bc b v h v k 0 0 一i 8 2 , f iv 6 。5 x 6 2 小i b n - 2 + 6 a ca v k c a 0 一i b 0 t n2 压v c o5 ，r 6 2 , f i 7 ；, r 6 6c ac v 一v 0i b0 一 一2 , f iv 。5 x 62 , f ii 。7 i r 6 + 7 b b a 0 一 l j a bv di c i c 0 2 万v 。53 1 r 2 2 3 。7 r 6 7 a a b 0 v d v df ci c 0 2 压v “3 1 r 22 f 5 i c 兀6 + 8cc b 0 一v kv k 0 i c 一蕾2 石3 x 22 压i c x 2 8b bc 0 v 如一v k0 一i ci c 2 压v b 。3 1 r 22 矗i c 1 r 2 + 9aa c 0 一v v 一i c 0 i c2 压v , 。3 x 1 22 打i c 7 n 6 9cc a 0 一毛0 一i c2 , f iv c , 3 l r 2 2 压i c7 1 t 6 0 。 a aa00000 0oo 0 b b b b 0 000000o 0 c cc c00000 0 0 o l o 湘潭大学硕士毕业论文 图2 - 2 输出电压矢量的方向和扇区 弋 楚 专7 士3 ，6 ，土91 ，4 ，7 图2 - 3 输入电流矢量的方向和扇区 图2 - 4 输入电流的空间矢量调制 湘潭大学硕士毕业论文 + o 图2 - 5 输出电压的空间矢量调制 在剩下的四个开关组合中，假定使用正向的开关组合+ 1 和+ 3 ， 怎样取正或负的开关组合将在后面的内容中讲述。用同样的方法可 以找到合成的两个开关组合+ 6 和+ 4 。 同样，对任意输出电压矢量区和输入电流矢量区都可选用四个 有效开关组合，见表2 2 。 表2 2 中，、表示扇区号，最后一行的 四个标号i 、i i 、i i i 、i v 分别指每一个开关组合。 表2 2s v m 算法使用的开关组合 义 或者 或者 或者 或者+3+l+6+4+9+7+3+l+6+4+9+7 或者+2+3+5+6 +8+9+2+3+5+6+8+9 或者+1+2+4+5 +7+8+l+2+4+5+7+8 ii ii ii i i vii ii i i【v 根据正弦定理，由图2 - 5 可得： 每：6 i + 可：6 。一 v ， 一 s i n ( f r o + x 6 ) s i n ( 2 x 3 ) ( 2 6 ) 湘潭大学硕士毕业论文 v - ，6 n l 七每? 6 ”v 。 -_- s i n ( 矗 o # 6 ) s i n ( 2 n 3 ) ( 2 7 ) 同理，参考电流矢量i 也可沿着两个相邻矢量方向分解成两部 分：i ，和i 。观察表2 - 1 和表2 2 可知，合成i 。和f 。的两个开关组 合分别由一个合成吃的开关组合和一个合成的开关组合组成( 参 考图2 4 ) 。这两个开关组合的合成矢量都要沿着电流矢量方向进行 调制，运用点积定理，可表述如下： 【i 7 艿。+ i 。占”】j i b e j p , = 0 ( 2 8 ) 【“占“+ i ”占”1 j i l e j p , ：0 ( 2 9 ) 由此，可写出s v m 算法的基本等式。在任意瞬问，式( 2 1 0 ) 一 式( 2 1 3 ) 都能满足输出电压和输入电流之间的偏置角。 = 占7 + 醒= 万2 v oc 。s ( 碗一詈弦州川m ，6 】 = 铲万田+ ”占”= 丢v 。c 。s ( g + 詈弦巾卜”“3 “1 v j j ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) t 6 l + 蛩6 “1 j i t e i 噩= 0 ( 2 1 2 ) 【i “占“十矿”j ”】j i a e j p 一, = 0 ( 2 1 3 ) 式中，d 。，占”，占“，占。”是四个开关组合的占空比。k 。= 1 , 2 ，6 代 表输出电压矢量扇区。i ，i i ，i i l ，i v 是表2 2 中相对应的开关组合。 晦一1 ) n 3 + n 6 、晦一1 ) n 3 一z d 6 分别代表和所对应矢量的相位角，此 公式对输入电流矢量同样适用。 占。与矗是相应输出电压矢量和输入电流矢量与区间中分线的 夹角，一詈 玩 + 詈，一詈 0 时凹步抉流策略驱动信号不蕙图 第一步，关断开关s 1 的反向开关s l n ，由于电流是正向流动， 这一步不会带来开关损耗。 第二步，开通开关s 2 的正向开关s 2 p ，打开s 2 p 后，如果开关 s 2 所连接的电压高于开关s 1 所连接的电压，那么电流将自动换流 到s 2 p 中。 第三步，关断开关s l 的正向开关s i p ，由于电流有半的可能 已经换流到s 2 p 中了，所以s l p 的关断有5 0 的可能性为零电流关 断。 第四步，开通开关s 2 的反向开关s 2 n 。 这样的四步换流策略，既禁止了电源发生短路的开关组合( s l p 和s 2 n ，s l n 和s 2 p 同时导通) ，又保证了在任意时刻给负载电流提 供了至少一条流通路径。 刚才讨论的是i o 的情况，如果电流方向是反向流动，即i o 。 湘潭大学硕士毕业论文 j l 基 bcl ab 厂x x _ m 印 x 7 图4 5 三相输入电压状态图 根据以上分析，本文设计了如图4 6 的同步及过零比较电路。 电路工作原理如下：两个2 2 0v 7 5v 同步变压器的原边分别与a 相电压和b 相电压相连接，则副边输出a 、b 之间的线电压；经过 零比较器后，线电压变为1 5 v 的脉冲，输入电压空间矢量的相位 为o 的时刻发生在脉冲的上升沿：脉冲经光耦隔离，转换为标准电 平；最后接入d s p 的捕捉输入端c a p 2 。经过此电路后，d s p 的c a p 2 检测到的上升沿时刻就是输入电压空间矢量的相位为o 的时刻。 1 r _ a f 矗心三l 一 图4 - 6 同步及过零比较电路 娜 一 湘潭大学硕士毕业论文 4 2 4 开关序列器 由于矩阵变换器开关器件多，控制复杂，只利用d s p 难以同时完 成控制算法与换流。因此为简化控制电路，减少d s p 的工作量，本系 统引入c p l d 与d s p 配合实现矩阵变换器的空问矢量控制和四步换 流。 系统为了保证开关矩阵的正常工作，在d s p 与驱动模块之间添 加了开关互锁和由c p l d 实现的开关序列器电路。其原因如下： ( 1 ) 开关矩阵有9 个双向开关，每个开关有两个i g b t 。如果 每个i g b t 都要c p u 的一个输出口来控制，那么程序会很烦琐，条 理不清。若采用编码方式编程，则语言精练，程序运行速度加快， 提高控制精度。 ( 2 ) d s p 在上电和复位时，所有的输出口都是高电平，如果输 出的高电平直接开启i g b t ，则在d s p 上电和复位时将有连接同一输 入相的三个双向开关被打开，相当于一个零开关组合工作，虽然不会 造成什么影响，但系统还是在所有的i g b t 均处于关断状态比较正 常。 ( 3 ) 矩阵变换器的输入电压由电压源型电源提供，因此输入侧 不能短路，对于同一输出线a ，b 或c 上只能有一个开关导通，以 防止因偶然因素误触发而导致相间短路。 ( 4 ) 充分利用c p l d 芯片的在系统可编程特性，缩短开发时间，对 常数进行最优配置，采用一片4 m h z 有源晶振给c p l d 时序逻辑提供 所需的时钟信号。实现四步换流。 考虑到以上的原因，系统用编码的方式从d s p 的e 口送出控制 开关信号，对于每相的3 个开关，0 1 表示第一个开关，1 0 表示第 二个开关，1 1 表示第三个开关，0 0 表示关闭开关。这样，既减少 了输出口，又实现了在每一时刻每相输出端最多开通一个开关的互 锁功能。 开关控制信号从d s p 的a 口输出。由于d s p 运行速度快，3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，因此要由快速芯片与a 口相 湘潭大学硕士毕业论文 连，本论文选用c - d 0 s 7 4 h c 2 7 3 芯片。a 口信号送入专用配套芯片2 7 3 。 2 7 3 是带清除端的锁存器，当清除端为低电平时，芯片输出均为低 电平；当清除端为高电平时，在芯片的c l k 端状态翻转时，输入 端的状态被锁存在了输出端。利用2 7 3 的这个性质，将d s p 的输出 a 口p 2 6 、p 2 7 经反相器后接入2 7 3 的清除端和c l k 端，则当 c p u 上电和复位时，2 7 3 被封锁，输出全0 保证了i g b t 的关断。 当d s p 进入工作状态后，将2 7 3 解除封锁，在a 口状态改变后， 令c l k 状态翻转，则输出被传递出来。2 7 3 的6 个输出信号分别送 到c p l d 的口，经过逻辑运算后还原成9 个双向开关的控制信号， 再经隔离驱动电路去控制i g b t 的开通和关断。 图4 - 8 为c p l d 输出的一个x g b t 的控制信号。 图4 - 7 开关互锁和c p l d 电路 4 2 5 电流方向检测电路 图4 - 9 为矩阵变换器一相输入电流检测电路。由于电阻的电压 和电流同相位，虽然电压信号是p w l d 波形，由于负载为感性负载，电 流连续，所以从电阻两端取电压信号送到滞环比较器，经光电隔离 后送到c p l d ，当光耦的输出信号为高电平时，表示电流方向和参考 3 9 湘潭大学硕士毕业论文 方向一致，否则相反。 图4 - 81 6 b t 的控制信号 4 3 系统的软件 图4 - 9电流方向检测电路 实现矩阵变换器空间矢量调制控制策略的系统软件主要由主程 序、捕捉中断处理程序、事件管理器a 中通用定时器1 的周期中断 湘潭大学硕士毕业论文 处理程序、比较中断处理程序以及由定时器1 提供时基的3 个全比 较单元中断处理程序组成。 以上各部分程序均是采用d s p 汇编语言编写。 4 3 1 主程序 系统的主程序主要完成系统的参数设置和初始化功能。它包含 系统的初始化、变量初始化、输出电压频率设定、p w m 周期计算、 寄存器的初始化、控制策略参数设定和中断程序初始化设定。具体 流程见图4 - 1 0 。 开始 系统初始化 变量初始化 输出电压频率设定 p w m 周期计算 周期寄存器初始化 4 3 2 中断处理程序 比较寄存器初始化 t 1 、r 2 通用定时器初始化 捕获寄存器初始化 中断寄存器初始化 等待中断 图4 一l o 主程序流程图 d s p 的c p u 支持6 个可屏蔽中断，为了扩展系统可响应的中断 个数，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 通过中断请求系统中的一个两级中 4 l 湘潭大学硕士毕业论文 断来实现。因此，d s p 的中断请求应答硬件逻辑和中断服务程序软 件都是一个两级层次的结构。中断系统有两个向量表，c p u 的向量 表用来得到响应c p u 中断请求的一级通用中断服务子程序( g i s r ) 。 外设向量表( p w r ) 用来得到响应某一特定外设事件的特定中断服务 子程序。 本程序主要用了e v a 中通同定时器1 的周期中断、比较中断和 三个全比较中断，以及捕获单元的中断。 中断入口程序如下： g i s r 2 ： l d p# o e o h l a c cp i v r ，1 a d d# p v e c t o r s b a c c g i s r 4 ： l d p# o e o h l a c c p i v r ，1 a d d# p v e c t o r s b a c c 其中g i s r 2 是通同定时器l 的周期中断、比较中断和三个全比 较中断程序的入口，g i s r 4 为捕捉单元中断程序的入口。语句主要实 现外设向量表( p i v r ) 加上相应的中断入口地址，然后跳到相应的中 断服务子程序的功能。 a 周期中断处理程序 周期中断处理程序是空间矢量调制的矩阵变换器软件的核心， 完成一个p w m 内空间矢量调制策略所需的计算，主要包括以下部分： 求输入电压矢量相位、输出电压矢量相位，根据式( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 计算5 个占空比，并将5 个占空比分解为9 个时间段输出。其流程 湘潭大学硕士毕业论文 如图4 - 1 1 。 图4 1 1 周期中断处理程序流程 湘潭大学硕士毕业论文 bc m p r l 中断处理程序 图4 1 2c m p r l 中断处理程序流程 cc m p r 2 中断处理程序 零矢量开关组合送ee l o n _ d u t y 6 送c m p r 2 上 清c m p r 2 的中断标志位 上 ( ，中断返回、) 图4 1 3c m p r 2 中断处理程序流程 湘潭大学硕士毕业论文 dc m p r 3 中断处理程序 图4 1 4c m p r 3 中断处理程序流程 ec a p 2 中断处理程序 图4 1 5c a p 2 中断处理程序流程 湘潭大学硕士毕业论文 ft i c m p r 中断处理程序 图4 1 6t i c m p r 中断处理程序流程 湘潭大学硕士毕业论文 第五章实验结果及分析 在矩阵变换器控制系统硬件电路设计的基础上，通过软件和硬 件实现联调，使得空问矢量调制策略和四步换流技术得以实现在 进行了大量的实验后，采集了相关的波形，并与仿真波形进行了对 比，验证了设计方案和控制策略的可行性 5 1 实验结果及分析 本文在已有的硬件和软件的基础上，在矩阵变换器带三相对称 感性负载的情况下，分别从不同输出频率及其对应的p w m 个数不同 的情况进行了相应实验，得到的实验波形如下。 5 1 1p w m 个数为3 6 时 图5 - 1 输出频率为l o h z 时输出线电压a c 和b c 的波形 湘潭丈学硕士毕业论文 图5 2 输出频率为l o h z 时输出线电压及频谱图 4 8 湘潭大学硕士毕业论文 图5 - 3 输出频率为2 0 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 4 输出频率为2 5 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 5 输出频率为5 0 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 - 6 输出频率为6 0 h z 时输出线电压及频谱图 5 1 2p w m 个数为7 2 时 湘潭大学硕士毕业论文 图5 7 输出频率为l o h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 8 输出频率为2 0 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 - 9 输出频率为2 5 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 - 1 0 输出频率为5 0 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 - 1 1 输出频率为6 0 h z 时输出线电压及频谱图 湘潭大学硕士毕业论文 图5 - 1 2 输出线电压和线电流的仿真波形 图5 一1 3 输出频率为l o h z 时输出线电流的波形 5 8 湘潭大学硕士毕业论文 5 1 3 结果分析 本文采用t d s l 0 0 2 数字存取示波器测量实际波形，从以上的波 形可以看出，实验波形和仿真波形基本上是相似的，对应的频谱图 反应了波形中所含的谐波情况图5 - 1 为输出线电压a c 和b c 的波 形比较，从相位上来看还是符合理论值的此外，线电压波形中都存 在反向毛刺的问题，主要原因是程序控制误差所造成的所使用的 d s p 控制器不能进行浮点运算，复杂的函数运算实现比较困难，工作 频率为3 0 m h z ，空间矢量调制中为了实时得出开关组合及其对应的 占空比，需要有大量的乘除法，c o s 值通过查表的方式实现由于有 这些方面的因素，导致了实时计算每个开关组合占空比所使用的时 间比较多，而且存在不可以避免的误差，从图中所反应出来的就是 由曲线替代了脉冲组成的一段波形，而且随着输出频率的提高，这 段波形更加明显，如果控制器的工作频率能更高或程序结构能有所 优化将会对输出电压波形的影响减少 本文主要在不同输出频率中含有不同的p 喇周期进行了相应实 验在调试中，i g b t 的开关频率最低为输出频率为1 0 h z 且p w m 个数 为3 6 时的3 6 0 h z ，最高为输出频率为6 0 h z 且p 州个数为7 2 时的 4 3 2 k h z 从频谱图来看，相同输出频率下p 删个数越多，对应的开关 频率将会增大，输出电压中所含谐波分量将有所降低，与理论分析 情况一致。在输出频率为5 0 h z ，p w m 个数为7 2 时，所得到的波形相 对其他输出电压波形及频谱图来看都是比较好的，只含有少量的奇 次谐波，由以3 次、5 次谐波为主，如果在矩阵变换器的输入和输出 端都能接上滤波器，且能提供更好的硬件设施和软件优化，这样提 供给负载的电压质量将会大大提高 由于实验室条件的限制，没有用来测量负载电流的电流探头，本 文仅用一个霍尔元件测出了输出频率为1 0 h z 时的实际电流波形，但 能看出和实际仿真波形还是很接近的，同时也验证了四步换流技术 的可行性 湘潭大学硕士毕业论文 本文采用富士公司的1 m b h 6 0 1 0 0 型号i g b t 作为功率开关器 件，e x b 8 4 0 为驱动模块，t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的2 4 0 7 a 型d s p 为控 制器，基于空间矢量调制的控制策略，采用四步换流技术，制作了 一套实验装置。本文利用该装置进行了一系列实验，验证了各部分 的功能和控制策略的可行性。 6 0 湘潭大学硕士毕业论文 第六章总结和展望 本文对矩阵变换器的空间矢量调制策略进行了分析，并且对矩 阵变换器中存在的换流问题进行了研究，采用四步换流方案，对矩阵 变换器的控制系统硬件进行了最简设计并在此基础上进行了带负 载实验，主要结论如下： 1 空间矢量调制策略是一种有效的控制策略 2 四步换流技术能实现矩阵交换器的安全换流，是一种比较有 效的换流策略，使得矩阵变换器的实现成为可能采用可编程 逻辑器件，不但简化了硬件电路，还大大提高了换流过程中的 安全性，保证了矩阵变换器工作过程中不会出现输入相短路 和输出相断路的情况发生。 3 充分利用了d s p 的工作特点，利用其捕捉功能来实时得到输 入电流相角，并且利用多种中断功能来实现控制i g b t 的开关 信号的输出 4 实验结果验证了本文理论部分的正确性实验结果不是很理 想的地方，如果能解决计算误差大和处理器速度不是太快的 缺陷，矩阵变换器的工作性能将会大大提高 虽然，本文在矩阵变换器的换流技术和控制系统方面都取得了 一定进展，在此基础上，下一步的研究工作还可以在以下几方面改 进： 1 采用工作频率更高或者具有浮点运算功能的d s p 芯片，能减 少计算误差和处理器速度不够快的缺陷 2 设计相应的滤波器及其保护电路，完善整个矩阵变换器控制 系统，从而让矩阵变换器带电动机负载更加安全可靠。 3 用于四步换流的电流检测硬件电路应该设计的更加合理，可 采用传感器检测实时电流，从而使得换流过程更加准确。 4 采用更好的控制策略或者矩阵变换器的拓扑结构，解决矩阵 变换器电压传输比不高、控制复杂等问题 6 1 湘潭大学硕士毕业论文 附录：( 软盘) 矩阵变换器仿真模型模块图 矩阵变换器空间矢量调制策略d s p 汇编程序 矩阵变换器四步换流v h d l 语言程序