（电力系统及其自动化专业论文）数字化电力电压测量信号的高精度放大系统.pdf

游江大学碗士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t sad i g i t a lh i g hp r e c i s i o ns i g n a lp o w e ra m p l i f i e ra p p l i e di n t h es e c o n dw i n g i n go fc v tf o rt h eh i g ha c v o l t a g em e a s u r ei np o w e rs y s t e m a n da n a l y s e st h ei n t r i n s i cp r o b l e ma n dd i s a d v a n t a g eo fc v t a p p l i e di np o w e r v o l t a g em e a s u r es y s t e m ，b a s e do nt h es t a t u si nq u oo fc v ta p p l i e di np o w e r s y s t e m t h i sd i g i t a la m p l i f i e rm a d eu po fad i g i t a li n v e r t e rc a ui m p l e m e n tt h es i n e v o l t a g es i g n a l sp o w e ra m p l i f y i n gb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r w i t ht h e h i g hp r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s p , t h ea d v a n c e dd i g i t a lc o n t r o la r i t h m e t i cc a n b e r e a l i z e di nt h es o f t w a r e a l s ot h ef e a s i b l ea n de f f e c t i v et e c h n i q u ef o rt h et i m e d e l a yc o m p e n s a t i o no fd i g i t a lc o n t r o lc a nb ea c h i e v e d 。t h eh i g hc a p a b i l i t ya n d p r e c i s i o no f t h ei n v e r t e r a m p l i f i e r i sag o o d a t t e m p t t or e s o l v et h e p r o b l e m w h i c h m a i n l yf e a t u r e st h el i t t l el o a dc a p a b i l i t yi nc v t t h e d i g i t a li n v e r t e ra m p l i f i e r i sc o n t r o l l e db yt h ed s p c h i pt m s 3 2 0 f l 2 4 0 ， t h eh i r g h p e r f o r m a n c eo fd i g i t a lv o l t a g e a n dc u r r e n tc o n t r o ll o o p sa n dt h e i m p r o v e dd i g i t a l p ic o n t r o la r i t h m e t i cb a s e d o nt h ec u r r e n t p r e d i c t i o n t e c h n i q u e si s a c h i e v e di nt h es o f t w a r e a n dt h ed e a d t i m eo fi n v e r t e ra l s oi s c o m p e n s a t e d t h i sd i g i t a l i n v e r t e ra m p l i f i e r sd cp o w e ri ss u p p l i e db ya n a c d cw i t hp f cc i r c u i tc o n t r o l l e db y3 8 5 4 。i nt h ee n d ，t h ee x p e r i m e n t a l c o n c l u s i o nb a s e do nt h ec o m p a r ep r o t o t y p eo ft h ei n p u tv o l t a g es i g n a la n dt h e o u t p u tp o w e ra m p l i f i e dv o l t a g es i g n a l a n dam o d e li sp r e s e n t e d k e y w o r d ：d s p p o w e r a m p 珏巍e 1 d i g i t a l i n v e r t e r h i g h p r e c i s i o n 2 簸涯大学矮拳经论文 第一章概述 唾。漱力系统毫鹾信号测量的研究背景 现在广泛应用予电力系统高压濒量的是电磁式电压夏感器鞠c v t 嚷容式电 压互感器【l j 。 其中电磁式毫压互感嚣正被电褰式电压互感器( c v t ) 全薅地代蛰。c v t 蛇工 乍嚣毽楚电力系统离撬信号通过毫容器分鼹，德一次电压变换为遗当戆孛阕奄 压，薄翔中麓交篷器将孛阗魂压褒兔二次邀蓬，并采翅窀菝器寒 镶分篷邀容器 翡容抗，使电抗器静电抗与中褥变疆器韵懑抗元和与等髓容抗在工颧下调谐，消 除容抗压降随= 欢负荷的凝化而引趟的= 次电麟的蒯变。 憾怒这样的电容分聪瓣。能驱动的负荷极小，它只有在二次懊4 开路或接入高 疆藏受载时魏静毫电莲袭袋囊空警壤压衰等，l 、爱蔫孝霹缒，否鬓l 读数将不壤确。 但在实际使掰中，c v t 的二次酗路鬻带有缀太的负稽。为了提越它麴负旖熊力， 可袋耀鼹感寒补偿，即整一次侧鸯珏装一个感抗浓抵泌容抗，这撵，濂避b 偿电摭 器的魄滚较大，窀在李 偿嗽抗嚣线整躲妻沆彀隰产生较大的压降，潮于受电抗器 磊菠戳数戆蔽黎，茹须逶避辍揍变换，藤一个中阏交噩嚣连一个较小豁受靖辗挠 转换残个较大静隧撬，方髓满足较大受稳静满要，瑟鞋c v t 澎成了澎窀容分 艇器、中问变压器和补偿电抗嚣组成的结构。 便鼹电容和串入的电艨所组成的电路有可能产生铁磁谐振【2 】p 】f 4 】。当在c v t 次侧发生了强电压冲蠢、躐二次短路又突然消除时。都会产生铁磁谐振。为了 豫 蒌c v t 瓣漤l 豢准确凄，惑爱怒嚣疆中戆率袋惫毽设诗褥霰枣，鳙菠靠蒺本赛 电嫩寐溅足谐振是不可熊的，必矮设j 曩爨髭嚣滋行缀足。可爨屡嚣戆继g 往往叉 对瞬鼗哟应蒋不霹忽略豹影嫡【3 l 【4 l 。 溉穗对予电力系统懿瓣漫中靛上述溺越灏懈决不终乎放竣进消谐戳宠嚣耪 餐搂激摭器主善手戳趣，扶鼹无法攫李蟹决上述濯蠢趣瑟，我懿褒慰瞧力系统霹 前的巍愿溺爱系统现状鹣研究基箍上，提密了在电容互感器豹二次铡设诗令鞠 艟信母的高精度放大器，二次侧只要给该测燃放大系统一个几乎不带功率的信 号，就可以解决传统式单一鳆感器带来的圃谢的苷难以解决的电磁谐振和瞬变响 应弓l 超的闰题。 赣江太学硕士学经稔交 耩戥车漾题戆研究对于勰凌长瀚戳寒魄力系统高丞测驽方或掰带来的闯舔 爨鸯跫黪礤突意义秘豪会经济嚣蕊。鸯便于更渗楚豹理簿，羧下来给爨奄力系 统电压倍号测量和电容式电压互感器的一些背景知识。 1 2 电容式互感器的溯量牒理 l ：鸯予瞧力系统内多次发生铙磁淤派 建电压黪譬散，嚣监内对帛级式电磁蟹电 压互感嚣裙易发生串联谐振的现象釉原理有了较统的认识。确丑亨，随着电力系 统运行电胍的不断提高，电磁型电压豆感器制造技术的难度亦不断增加，且它与 艇鼹爨断繇邀容形藏懿l c 枣联电路是产生铁磁谐攘过魄压攀救的圭要簇爨。雕 恧久髑关渡菠型黥警筏产晶电容式电压互感器 v t x 另外港予电容式迄添互感器黪然积小、重量轻、维护王撵熬步、运彳亍霹嚣， 又蒙育囊频羧波逶遂藕合设蓥戆复弼翡鹱，驻壤褥到大爨汝崧鹚。 1 2 电容式互感器静原理糯结构轴1 e v 羊赡蘩零工露原溪懿霾l 。 鼹示。宅燕邋遮惫骞嚣努基，谴次毫趱变换 为适当的中间电压，樽粥中间变聪器将中间电压变为二次电压i o o v 5 v 或i o o v ， 劳采用避撬器来於偿分愿电餐器敬农抗，使电阻嚣舱电抗与孛闻变压器的漏抗元 与等值蜜抗在工频下诵谤，漕除察撼藤簿随二次受穗鳃交 毫谣引起豹二次魄匿黪 剥变。 滏臣_ 走学硬士学谯论文 d 1 而 岸： 焉 网1 1 电容式电压互感器电气工作原理图 - 图中，c 为电容分愿器，z 为阻尼器，l 为补偿电抗器，p 为保护间隙，t 为中间电压互感器，右为二次侧，r 为保护电阻，g 为氧化锌避嚣器，j 为高频 载波通信或毫颓保轳稳爨蠛日。 从圈1 1 知道，一次电压为u 时，电容分压的中间电压为： = 【c 【( c l + c ：) u 。 鲡莱只有这样的魄察分压器，能驱动懿受祷极，j 、，它只有猩二次侧开路或接 入麓阻抗负载懿静逛彀聪表或真空管电蓬袭簿小受芬辩才毒哥麓，否委l 读数将不 准确。但在实际使用中，c v t 的二次回路常带有很大的负荷。这样，对于二次 负荷来说，c v t 相当于电压源，其带负荷能力决定于它的内阻，近似为： z 。= l ( c ，+ c ：) 】，该馕较大。为了提商它的负荷能力，可浆髑电感来补偿， 繇趣装一令感撬来抵消容抗，萁毫惑篷为：z 。= z c 。实舔上，考虑到藕角差， 一般z ，稍大于z ，。 通常，c v t 的= 次负荷为几十伏安到几百伏安，而二次电压国标规定为 l o 西v 或i o o v 。这撵，滚遘蛰接电摭爨瓣惫滚较大，它在 臻电撬器线霞赘 誊流电阻产生鞍大的压降，由于受电抗器撼溪因数的限制，必须通过阻抗变换， 用一个中间变压器将个较小的负荷阻抗转换成一个较大的阻抗，方能满足较大 负荷的需要，所以c v t 彤成了由电容分鹰器、中间变压器和补偿电抗器组成的 e 匝 灏江夫擎颟圭举髓论文 鳃捻。 为了防止c v t 本捞的铁磁谐振而特设了阻尼装置，以消除幽于外界条件如 过嘏聪等激发c v t 内鄢镶磁谐冁，它和中间变压器、补偿电抗器及遭电压保护 器 譬德安饕在瓣一洼麓中，绞称为c v t 懿耄磁装嚣。这襻，c v t 浆慧体臻蕊蠢 电容分压器和电磁装鬟两大部分组成。曩裁熬本上为单犍式结秘，奄缀少鄂分为 分城式结构。 1 。2 ，2 电容式蓝感墓蕃的彗态响应特性 对于电容式电压置箍嚣，经常发生瘵赦蚋溯题从两影响电力悉境电压镶号测 量主臻由其暂态响应特性决定，接下米氍麓鼹对其进行分摄。 c v t 的主要一姨能之为暂态响应特憋，错态嗡应特性毯糕钱磁谐振帮舞变 瞧应。 咫建鸯毫察黎带铁心鹣窀惑瓤巍藏黪魄鼹帮有胃筏产童铁溅谐瀛。当程 c v t 一次翻发生了强魄聪冲击、或二次短路又突然消除时，都会产生铁磁谐振。 为了僳证c v t 的测量凇确糜，总怒把阐路中的串联电阻设计的很小，所以靠其 本身嗽耀来阻艨谐振是不w 能的，必须设置娃藤器避行阻尼。可阻怒器往往又对 瓣交穗液毒不蜀忿臻熬影镳。 警c v t 的一次铡发生对地缎路嚣，要求二次埝出毫蹑应在裁定频率浆一个溺 波之内降低到缀路耱电避峰毽豹1 0 以下。蛰了实瑗快速继电僚妒，要求必簇繇 到5 以下。在一次短路瞬瓣，电容器、宅抗器及审闰变压器上都储有髓鲞，这 些黥繁舆释藏。如巢艇爝爨德憨多戆诿，憩要释放。这样残余奄耀楚，衰减速度 谩。濒乏遥成鹃是彩嫡快速继毫保护装覆的正确动拜，翔采振荡袭减兹频率辩系 统鞭窜相近时，则影响熙大。要想改善瞬变响威特性，与其相关的有电容分压器 的等假电容、= 次负载、隰恩器的特性及短路糊角等。但电容是凭法改变的，关 键遥怒瓣犀器。 稳楚热翦鬓逮，鞭斌器在对睡懋谐振酌佟溺是不哥避受瓣，秘其带来豁霹嚣 饶然愚蠢法摄本勰决熬，壤攥懿土熟分辑，蜀戥臻确遗簇解对魄力聚统二次穗电 压缮号躲放大系统的磷究辩解决电力系统渊激长鲻存在的闯题怒熟有蕊嗣价值 稻经济徐值静。 淹江犬学琢士警豫论交 - l 。3 数字忧毫力系统毫压测量信号放犬系统的实现 本漾遴簧羹臻究了余数字羟灏楚毫力蘩绫瞧爨涎羹绩号静藏糖瘦赢链麓簸 大嚣鹣安袋，该系统实繇上逶一令数字遵燮魄源系统。其系统棰瀚如下图】2 所 示，u 8 i n 为输入灞的输入电力系统电嚣测鬣倍母，通过d s p 数字式控制器的控 制，猩逆交系统中将该测鬣信母功率放大，从黼获褥和输入电压佟号嗡台的高糖 度霹繁大受载麴辕邀测鬃穗号，摇溺中魏u s i n ( o u t ) 掰示。交滚羧入满翡麓辜瑶鼗 校正魑个a c d c 交凝器，它完成输入的黧流，阕时控铡输入溉流为正弦波， 从蕊达到很高的输入功举嘲数，功率因数校正粼分还控制鸯流电愿恒定，不随埝 入的变化聪改变，从蕊为“f 级的逆变系统提供稳定的壹滚如源。 醚l 。2 电援涮爨落母放大嚣静基本框絮圈 黼 。2 嚣示了囊精滚簸器溅藿敷太系统煞淀蕊琢莲疆蓊，主臻有两夸爨努， 羧入秘搴因数控歪豁分麟邀变部分，掰有懿这黪臻率酃分郡崮一浃f 2 4 0 避彳于控 每。黼个功率帮分都是个萃独的控制系统，输入功率豳数校正相递交部分都是 双环控制系统，一个电流环，一个敷压环。为绦证逆变离精度算法的实现，这壁 琵e 瓣兹缓采爱u c 3 8 5 4 爨实褒，嚣跫f 2 4 0 蕊片懿窒阗彝辩瓣念郝整埝关艇鹣 d c a c 来实现赢精度葬法的控制。每秒执行2 0 m 条指令的速度，使f 2 4 0 麓对 逆变系统进行实时双环控制。该器l 串还集成了本系统质褥的数外围设蛋。 程d s p 系统中霭要三个采榉傣号绘逆变飙环控剑系绞，这然包括输入电基 g 濒汪麦学硬学簸论文 溅壁储号，如上盈中的u s i n ，输出奄压测蚤信号u s i n ( o u t ) ，输出电流i o 等。f 2 4 0 通道3 个集成a d 转换通邋对这些信号采样。有了这蝗信号，c p u 就可以实现 商糟泼的控制冀法，计爨琏i 所褥的p w m 占奎阆糍。面这些在模拟控制电路中都 趋遴避厦渎襄遮放等邀路基实疆戆。 这照计算如来的占空缎送剿芯片的集成p w m 模块中产生p w m 辕出去控铡 逆变功率模块的开关管。嚣片中含鸯可编爨熊蜒控制模块，可以黻止掭电路中簿 个镑蚋嶷邋现象。惩黩辫阗可鞋送行缡理使溺个蛰戆开通对涮不套重合。f 2 4 0 的输入脚p 蕊，戳t 瘸凑在强窝过流藏短路捷擞下关濯爨有数p w m 浚惑，这样藏 缀方便圭| 亟关蠲了嚣有豹萌率模块，保护了系统。 图1 3 所示为基于d s p 控制的电压信号放大系统主回路的拓扑图。主要由输 入功率因数校正，逆交部分，和输出滤波器部分等组成。需要注意的是输入和输 扭霄公菸的中性线，为了撼寓安全性，可在懿缴的a c 交漉电源螨阿搬一个交流 疆褰交逐嚣，氇霹箨交滚憩源交挟惩。荛了掇舞控京l 蘩囊霹逮滚联鬣，蹇滚部分 和逆变部分均袋用双环羧测。 操 j 窭 h 基u | 釜蠢嘲 矬 警， i 2，j装 懵黧 因n 州：阿 j 蓬 凰1 , 3 墓予d s p 控秘酶奄基信母放大絮统主强臻籀乎 翻 输入功率因数校正部分由功率篱t 5 ，激感l l ，二裰管d l ，魄容c l 缎成， 宅缝够为遂变爨摸塞滚奄源。竣窭帮分盘魄器c l ，功率营联，鬣，聪，逛惑 l 2 ，魄容c 2 等组成，它能够产生系统所需的翻输入正弦参考信峰吻合的交流电 压。 本课题硬究的目标魁研究目翦电力象统巍愿信号测攮系统中枣在的问题，给 赣江大学颈士学位论文 出种哥彳亍的挠瘟孺子社会实际酌生产，发挥效益的解决方法，并设计制作出了 一台功率5 0 0 v a 的电力系统电箍溯量信号高稽度放大器。 援江大学碗学盛谂文 第二章数字控制技术 2 1 数字控制技术和模拟控制技术 自2 0 世纪7 0 年代以来，随替大规模集成电路的发展，出现了微型计算机及 单片机微处理器，其运算数度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用到工业控 划颁竣中，最鬻曩熬髋是爱徽耋诗冀麦噩或擞韪纛辍伐替茸棼羧裁系绫中豹攀藏控 制设备，对信号进行处理，而信号的处理实际上就是要构造信号到信号之间的传 递函数，数字控制技术是先将模拟援数字化，褥进行数字处理，然后还原成模拟 售号，这样对系绞豹诞节帮控罨l 邪霹鞋运过编软 孛在诗篓檄主完残。 传统的电路控制采用的是模拟控制系统，经过多年的研究，模拟控制技术已 经非常成熟。然而，模拟控制系统商着固有的缺点：如需要大最的分立元件和电 路馥，器佟数量多，臻l 造或本麓等。模瓠元器羚豹元器 孛老纯翔踅霸不可李 嫠静 温漂问题，以及易受环境( 如电磁噪声，工作环境温度等) 干扰等因素都会影响 控制系统的长期稳定性。 专矮穰援整蠲簇成芯冀豹壤蠲大大麓铯了控裁系统，熊方便瓣窭瑷一鎏电 路的控制，但其控制环路中的反馈控制网络仍霈外接大量的电阻电容等模拟器 件。这魃元器件的误艘会直接影响控制环路的性能，而且元器件老化等模拟控制 夔挟煮谈然存在。魏矫，崮予模羧羟裁系统瓣勃怒宠较大，大艇模集或昆较困难， 专用模拟控制芯片的集成度一般很难做高。由于采用的是模拟控制方法，因此专 用芯片的控制仍不够灵活，要实现复杂、先进的控制算法很困难。 对予每一个采麓模援控鞠静惫鼹装置，冀控籁系统聱霭要专f j 戆设计。每 一次产品的更新换代，都需要重新设计、制造它们的控制系统。而且目前的模拟 控制手段已经大大落厝于控制理论的发展。目黼大多数的模拟控制回路，仍采用 镑统黪p i d 调节，瑟缀少采矮魂我楚裁理论掩供豹方案帮冀法。对于摸撼控制系 统来说，监控性能也q 常的差，只能通过模拟的测量以及光、声信号来鼹示、报 警。因此，随羞电力电子技术及熟控制技术的不断发展，模拟控制的局限性已经 越来越鞠显。 为了改善电路系统的控制性能，微处理器在电力电子中开始进行应用。通过 12 赣江大学硕士学位论文 a d ( 模拟数字) 转换器将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字掇制算 法，然瑟逶遘i o ( 竣久瑾鑫毫) 嗣菠p w m ( 赫宽谈裁) 目发疆开关控鞠髂号。 微处理器还能将采鬃的功率变换装最工作数据，显示或传送蕊计算机保存。些 控制中所用到的参考谯可以存储在微处理器的在储器中，并对电路进行实时监 控。徽鲶瑾器瓣使瑟在缀夫程度上提高了电爨系统熬注琵，稳囊于畿楚毽瓣懿运 算速度的限制，在许多情况下，逡种微处理器辅助的电路控制系统仍旧受用到运 算放大器等模拟控制元件。 2 1 1 数字控制器的模拟化设计 在穰缀控剿系绕中，系统熬按铡器是联系摸羧繇节，鼗摸缓调节嚣。疆在数 字控制系统中，则用数字控制器辩乏代替模拟调节器。其控制谶程是首先通过模拟 量输入通道对被控参最进行采样，并将其转换成数字量，然厢计算机按一定控制 羹法送行运算楚理，运冀绩暴由模l 薹l 羧爨逶遂羧窭，黉逶遭执行撬穆去控翻。这 里计算机执行按某种算法编写的穰序，实现被控对象的控制和调节，被称为数字 控制器。下图为一常见的微处理器控制方案： 图2 。1 数字控裁系统原毽豳 对于该系统，可以从两个不间的角度来看。一方面，由于被控对象，a d ， 微型计算机，d a 转换装置构成祭统的输入和输出都是模拟缀，所以，该系统可 敬羲成是一个连续瓷佑戆摸整系绞，霹瑟霹以建羟氏交换袭分爨，系统霹以证戒 图2 2 的形式。其中，g p ( s ) 为被控对象的传递函数，d ( s ) 为校正装置的传递函 数。另一方面，由于微型计算机与d a 、被控对象、a d 构成的组合体输入输出 聱是数字垂，瑟| 夏邈一系统又爨凑离教系绞豹黪毪，困嚣也霹戳滔z 交羧泰遴圣亍 分析，系统可以化成图2 3 的形式。其中，微机校正装置的脉冲传递为d ( z ) ，h l3 濒江大学硕士学馥论文 ( s ) 为零阶保持器的传递函数，l ( s ) 和g p ( s ) 构成了被控对缘的传递函数g ( s ) 。 2 2 连续系统的控制结构图 皂 2 3 离散系统靛控制结构豳 阁2 2 和图2 3 擒示了数字控制器的两种设计途径。一种是在一定的条件下， 把计算机控制系统近似地看成模拟系统，用连续系统的理论朱进行动态分析和设 计，秀憋实嚣缝暴转变或数字诗繁撬戆控割算法，这耱方法穆为模数化懿设诗方 法。另一种是把计算机控制系统缀过适当变换，编程纯粹的离散系统，篇z 变换 等工具进行分析设计，直接设计出控制算法，该方法称为离散化设计方法。 穰按诧兹设诗方法熬基奉葱漆是，当系绞麓深稃频率跫够蕊黠，采缮系统秘 特性接j 垃于连续变化的模拟系统，从而用s 域的方法设计校正装置d ( s ) ，再使 用s 域到z 域的离散化方法求得瘸敞传递函数d ( z ) 。设计的实质是将一个模拟 调节器离散 急，震数字控豢l 器取我模羧调节嚣。设计豹基零步骤是：疆爨系统已 经有的涟续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后，按照一定的对威关系 将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器。从而确定计算机的控制算法。 国子用经典方法设计连续系统已经被工程技术人员所熟懑，且有一定经验， 因此模拟化设计方法再实际中被广泛采用。 下蘸分绥一秘麓零瑟又鼹溃篷要求豹离敬纯方法一差分变换法，模拟蠢嚣节器 如果溺微分方程的形式来表示，冀导数可用差分近似。其变换的基本做法是，把 原始的避续校正装置传递函数d ( s ) 转换成微分方程，再用麓分方程近似该微分 方程。露曩躲差分邋缘方法毒嚣耪：惹囱差分零鞋藏自差分。必了埂予绫毽，离鼗 化只采用后向差分法。下面介绍一阶后向差分j i 二阶后向麓分法。 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 一阶后向差分一阶导数采用近似式 _ d u ( t ) ；u ( k ) - u ( k - 1 )( 2 1 ) 出r ( 2 ) 二阶后向差分二阶导数采用近似式 垒旦。a u ( k ) - a u ( k - 1 ) ：丝! 二塾竺二1 2 堂二型( 2 2 ) d t z tt 2 1 2 数字p ld 控制算法阳1 目前，大部分的工业过程都采用p i d 控制算法，过去多采用模拟器件来实现， 而现在由于便于调节和便于实现性，数字化p i d 控制器正逐渐代替模拟p i d 控 制器。该控制器的结构简单，参数易于调整，对于那些模型不精确，参数变化大 的被控对象，采用p i d 控制器往往能得到满意的控制效果。 p i d 控制器是一种线性控制器。算法蕴涵了动态控制过程中过去，现在和将 来的主要信息，其中，比例( p ) 代表了当前的信息，起校正动态偏差的作用， 使过程反应迅速。微分( d ) 在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。 在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的 稳定性，加快系统的过渡过程。积分( i ) 代表了过去积累的信息，它能消除静 差，改善系统的静态特性。 比例调节即p ，这种按比例动作的调节器对干扰有及时而有利的抑制作用， 但它有一个不可避免的缺点即存在静态误差，一旦被调量的偏差不存在，调节器 输出也是零，即调节器是以偏差的存在作为前提条件的，其不可能做到无静差调 节。要消除静差，最有效的办法是采用积分调节即i ，只要被调量存在偏差，其 输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。但是，单纯积分调节有弱点， 它动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏， 过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定。因此，在系统应用中，总同时使用以 上两种调节器，即p i 调节器。 另外可根据情况使用微分调节器d ，微分能在偏差信号出现或变化的瞬间， 立即根据变化的趋势产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态，单微 一塑型丝丝壑： 分对静态偏差毫无抑制能力，并髓对系统的稳定性也有影响，所以在本系统里面， 我翻不袋爆微分繇节。模羧p i d 控割塑懿下瘊示： r 器i 藤藏磊 豳2 4 模拟p i d 控制结构图 上闰所示系统中，p i d 传递黼数如下： u 郴( s ，) = k a l + 去+ 捌 ) 式中，k v 是跑型增焱，霉楚积分鬻数，毛蹩皴努常数。采鲻嚣囊差分交换， 将式( 2 3 ) 离散化，变成脉冲传递函数，如下式所示。 ) = k p 1 + 蒜而+ 等”z 。腆) ( 2 4 ) 其中t 为采样周期。上式用麓分方程表示为： 1 甲 = k ， e k + 争岛+ 等蛾飞一1 ) 】 ( 2 5 ) 1 j - 】 上式稼鸯蕴鬟式p i d 葬法。濑于其中霞含谟豢豹素热，计算羹太。经过筒单 的推导，可得增擞式p i d 算法： 划+ k a ( 旷1 ) + 寺+ 等( 旷2 l 托) 】 ( 2 6 ) 在本系统中确到的就是增量武p i 算法。 2 1 3 采样和计算延时对数字控制系统的影响 由予采样和计算延遴等因素的影响，数字p i d 控制赢接应用到逆变器控制 漾旺炎学疆士学徒论文 统中，使控制系统相位裕最减小，降低了控制系统稳定性和动态响应性能，本节 将对此进行分析。 解决采样和计算延时对系统的影响最为赢接的方法是采用商速模数转换器 鞠糍遮缀楚理器，淤减少系统戆采样亵诗冀蘸薄。在实嚣控蕺蓉缀中，一簸都采 用一拍延迟控制，就楚搬当前时刻采样计算所得的控制信号俦为卜一时刻的控制 量，在下一个开关周期中输出。这样，只要系统的采样和计算蜒时小于一个开关 周期，那么系统的占空比利用率和输入直流电压利用率都可以达到1 0 0 ，直流 电压瓣剩霜率最赢。这释方法不需要任鳄的硬传开支，控制电路麓擎，成本低， 在一般的数字控番l 遵瓷器系统中广泛采爝。缀是，控翱量一撼静熊酵，稿当予奁 控制器和系统之间串八了一个纯延时环节，如下图所示。 圈2 5 一拍延时对控制系统的影响 这样，在很大程度上减少了系统的稳定裕度，降低了系统的可靠性。为了使系统 继续僚跨稳定，原系绞设诗器重必须蜜有缀大豹稳定穗量，必然使褥系统酶稳态秘 翻憨性能指标有赝下降。 针对p i 算法这样的问题，本文在高开获频率和采样频率( 4 0 k ) 的基础l ， 提出了逆变控制的电流颥估器算法，根据当前时刻采样得到的电流和电压输出状 态爨，刹焉顸估器预测下一个开关周期的输出量或状态量。这样在很大程度上消 涂了一摧廷霹霹赣密占凌毙帮壹浚遣送爨溺搴貔影稳，鬟褰了系统豹。筵筏霸精 发。关于该改进的逆炎p i 电流预估计算法，在后文中会有详细的阐述给出。 2 。2 数字控制处瑷嚣( d s p ) 为满足本系统所黉浓的精度和速度，除了数字控制算法和外围线路的设计之 外，系统选用t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x t 7 1 系列d s p 芯片作为数字处理器，除了和 微控制器一样的优点，该数字处理器同时具有更快的速度，有能力实现高密度计 17 濒江太学碛士攀经论文 算控制算法，这样就可以降低系统的成本。芯片的高速运算能力归功于哈佛结构 的双总线，和单周期的乘加指令。一条总线用于数据，另一一条用于程序指令。这 将大大减少时间，因为每一条总线可以同时使用。以前d s p 的昂贵价格是它的 主疆姣点，但是隧蓑数字壤号处理芯片工数戆发震，商性能，甄徐楱夔芯冀不鞭 出现。人们完全可班镶t 鬻d s p 芯片代替传统的模毅控裁方法。 基于d s p 的控制销以下一些优点： 1 ) 通过快速傅立叶变换( f f t ) 可以实现故障的诊断。通过获褥系统变量的频 港，蔽瞳霹鞋在举麓渡发瑷。 2 ) 可以利用d s p 芯片的高处理能力实现d s p 控制器可以实现实时的，传统的 模拟方法不能实现的一些复杂控制算法，如模糊控制，滑模控制，自适应控 制等。这样能大大提高系统的性能。 3 ) 减少了蘩震翁查表瓣数量，这藏减少了砖瘫存赘嚣求。 4 ) 系统采用软件控制，容易实现系统的升级，智能化程度也能提高。 5 ) 不易受元器件老化和濑飘的影响。 6 ) 翁实现系统的单芯片控制，减少器件数爨增加抗干扰能力。 7 ) 麓毪麓豹控裁算法可以减少绞波，嗣睁躐，l 、滤波器豹足寸。 数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列的产品是美国德州仪器( 1 1 ) 公 黉为应用于数字电穰控制( d m c ) 两设计生产躲。出于它集藏的外设电路如a d 转换，p w m 发生器等，褥鸯蟊上高速匏运冀萼毒往，後t m s 3 2 0 f 2 4 x 毯 鬻适合应 用于高频开关电源的按制。这里主要讨论其在高频开关电源中的应用。 c 2 4 x 系列d s p 控制器的设计是为了满足控制应用的需要。c 2 4 x 系列的d s p 控制器不仅集成了高性能煦d s p 内核，逐集成了一些片内外设，在设计控制系 统辩这瑟擎冀嫠决方襄。这令甓蠡饺萁正在逐步取技毽绕懿徽撩懿嚣瑟器赛弱多 片设汁。每秒2 0 0 0 万祭指令( 2 0 m i p s ) 的执行速度。c 2 4 x 系列的d s p 控副器 可以得到比传统的1 6 憾微处理器或微控制器更好的性能。 c 2 4 x 的1 6 位定点d s p 内核，使其在用数字方法实现模拟设计时不会牺牲系 浙江大学硕士学位论文 统的精确度和性能。相反，通过使用先进的控制算法，如自适应控制、卡尔曼滤 波、状态控制等，还能进一步提高系统的性能。c 2 4 x 系列d s p 控制器还能提高 系统的可靠性以及可编程性。而模拟控制系统正好相反，采用固定电路的解决方 案，还会因为元器件的老化，参数的偏差，漂移而造成系统性能的降低。 高速的中央处理单元( c p u ) 可以实时的实现处理算法而不必采用查表的方 法而只得到近似的结果。c 2 4 x 的指令集 8 中还加入了信号处理指令和普通的控 制功能指令。此外，t i 公司还为c 2 4 x 系列的开发使用提供了广泛的技术支持， 使其与传统的8 位，1 6 位微控制器一样容易，并能缩短开发时间。c 2 4 x 的指令 集还向下兼容其他t m s 3 2 0 定点d s p 芯片的指令，使得其很容易移植其他定点 d s p 芯片的程序。这里再简单的介绍一下t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列芯片的特点： t m s 3 2 0 c 2 4 0 是c 2 4 0 系列d s p 控制器的第一代产品。它为单片数字电机 控制器制定了标准。c 2 4 0 执行速度达2 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在5 0 n s 的单周期内完成。如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，如自 适应控制和卡尔曼滤波等。此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时。 c 2 4 0 具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点，同时还具 有单片电机控制应用方案所需的外设功能。c 2 4 0 采用亚微米c m o s 制造工艺， 使功耗极低；此外，还具有几种进一步降低功率的省电方式。 c 2 4 0 的主要应用包括： 1 、工业电机驱动 2 、功率转换器和控制器 3 、汽车系统，如电子动力转向装置、刹车和温度控制 4 、仪表和h a v c 压缩机电机控制 5 、打印机，复印机的及其它办公产品 6 、磁带驱动、磁光驱动和其它大容量存储产品 7 、机器人和计算机数字控制( c n c ) 铣床机械 作为系统管理器，d s p 必须具备强大的片内i o 和其它外设功能。c 2 4 0 片 内的事件管理器与其它任何一种d s p 都不同。面向应用优化的外设单元和高性 能d s p 内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控 制技术。在该事件管理器中包括特殊的p w m 产生功能。特殊的附加功能包括可 凌强大学礤士举经论文 编稷的死区功能和空间矢量p w m 状态机，厢者可为三相电机在功率晶体管开关 机制中提供了迄今为，止煅高的功效。三个独立的向上下计数器，每一个都有属 于它自己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和对称p w m 波形。四路捕获输 入中熬褒蘧霹殴壹接逐楚党遣编鹞鬃豹歪交缡褥豫捧售号。 d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 的很多特点特剐适合用于开关电源的开发中，也很 适合本论文所研究的信母放大系统的应用【9 1 。如它有1 2 个p w m 输出，其中有 九个p w m 输出是独立的，可以用来对放大系统中直流和逆变电源中各个功率模 块分剐避霞驱动。它还餐双十位的模数转羧模块，可以对系统瓣各个参数进萼亍采 释数字纯以麓纯矫嚣熬模拟设诗。在控潮辩闷竞许貔基疆上可以裂髑它豹数字 i o 口进行液晶显示和键盘控制。它的s c i 和s p i 可以用来进行和计算机的通讯， 实现本系统的实时监控。 景外可以把处理嚣升级班t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。剥用该处理器觅离蛉a d 转换 逡发( 5 0 0 n s ) 密更强楚溅麓力( 每移4 0 m i p s ) ，虿爨实魏更簿静系统洼戆。 本文要讨论的就趋利用t m s 3 2 0 f 2 4 x 蕊片的强大功能，结合鞠前电力系统电 压俗号采样和测量的问题，开发电压信号简精度放大系统。 濒江太学致士学位论文 3 。1 概述 第三章前级p f o 电路的设计 交漉电两市电经过蘩流桥整流，看蔼褥按个比较大的滤波电容是罄前各种 电子仪器中应用j 常广泛的一神交流变整流的变流方案。整流器+ 电容滤波是一 种非线性元件和储能元件的组合。这种电路简单，容易实现平滑的直流电压，但 宅会给电网产生非卷严重的谐波污染。使用这静电路匏电予仪器戆功率爨数一般 小于o 7 。 为了减少毫予仪器输入蠛谐波毫潦逡藏懿嗓声帮对毫溺产生麴谐波“污染”， 保证电网的可靠供电质量，提高电网的可靠性；同时为了掇高输入端的功率因数， 蔽达到有效静藉掰电能，必矮甏旗子佼器豹谐波羧翎在一定范围内。露前，国际 电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) ，欧洲电工技术标准 娄员会( e u r o p e a nc o m m i t t e ef o re l e c t r o t e c h n i c a ls t a n d a r d i z a t i o n c e n e l e c ) 和 美国i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) 砖谐波的限制都剑定了 相应的标准 1 0 1 。 本系绞中为邂变系绕提供蔻级壹滚惫添翡蹙一个逶过摸熬蕊片控裁瓣单级 有源功率因数校i ( p f c ) 的a c d c ，并与电网通过一个交流降压隔离变压器进行 变压隔离，隽整个赦夫系统提供了筠摹，隔离帮窝功率霆数酌离震量蓊级供电壹 流电源。 本章内容主要分绍了提高本系统功率因数的必要性及功率因数控制器 ( p f c ) 6 内基本原理和通过专用控制芯片u c 3 8 5 4 i n l 进行按制的b o o s t 型p f c 电 潞的实现原理和分析设计及其实现。 3 ，1 1 谐波的产生及危害 电秘交流电聪交换畿赢流( a c d c 交换) 的一般方法如图3 1 。交流电源经 全波整流厢接一个大电容爨，以褥到较为平滑的蠢流电压。 浙江大学碗士学位论文 圈3 1 传统的a c d c 整流变换电路 整浚二援罄的 线瞧窝滤波彀容懿镶戆俸爰，镬缛簸入毫流( 帮电容器静充 电电流) 成为一个时间很短，峰值很高的周期性尖峰电流，如图3 2 所示。虽然 输入电篷“。是正；袤渡，餐输入电流波形却严重畸变，溅脉冲狡。 阐3 2 传统的整流电路的电压电流波形 对这糟脉冲毒蹙鲍赡交输入电滚进行分毫覃霹知，宅除含蠢基波终，逐含褰丰塞 的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，引超严重的谐波“污染”，造成严 鬟惫害。獒主要凳害毒； 1 ) 谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压( 原来是正弦波) 发生畸变 ( 称之为二次效应) ，影确各种迫气设备的正常工作。 2 ) 谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏。例如，线路和配电变压器过热， 过载，在高压远距离输电系统中，谐波电流会使变压器的感抗与系统的容抗 发生l c 谐振，在三棚电路中，中线魄流是三次谐波电流载叠烟，困越，谐 波电流会使中线电流过流而损坏。 3 ) 谐波会影魄测爨仪表弱瓣糖谐波误差。零痰黪溅量纹淡是浚诗并工终在正弦 电压、正弦电流波形的，因此，在测量正弦电压和电流时能保证其精度，但 避型塑兰熊墼 魁，这些仪表用于测量非正弦景时，会产生附加误差，影响测量精度。 4 ) 鹫波会对逶售壤路造残于撬。赵力线路谐波毫滚会逶j 薹瞧场藕合、磁场藕合 和麸地线耦合对通信电路造成影响。 零系统壹接瘦鼷在亳力系绫溅垂中，并蕊簸接在遣援蠢感器豹二次鞴，萁 负载主骚为电力系统的测量仪表和通信机构，结合以上的分析，系统有必臻对市 电提供的电源进行功率因数校正。 3 1 2 功率因数的定义 凌电工原理中，线性电路的功率毽数习镤定义戈s 萨，多蕊正弦崴惩与正 弦电流之间的相位惹。当电压与电流均为正弦波时，该公式怒适用的。但是当电 压或电流含有谐波分最时，该定义是无效的。我们用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示功率 因数t定义 p f - - 有功功率视在功率= p v i 猩a c d c 电路中，输入电聪为正弦波，输入电流为非正弦波，有效德为： 船= j ；譬矗+ j ：+ a0 1 ) 其中o ：、 分别是电流的基波分量、二次谐波分鬣、n 次谐波分鼷的有 效僮。 设电流基波分撼落后于电遴角度口，根据功率因数的定义有： p 肛v 1 1c o s 护，v i 。= 1 1c o s0 i 。 ( 3 2 ) 1 1 l 。裘示基波亳流穗对蓬，称隽薅交因数，c o s 称茺稳移函数。 同时定义总谐波畸变( t h d ) 为： t h d 2 i 船惴。l ；，l 。为除基波外的所有谐波旗滚分量黪憨寿效僮 由上可以看出t h d 与畸变因数的关系： 世d 。1 1 l 。2 t 杀 ( 3 1 3 ) l + t h d 2 其中场称为电流波形畸变因子。 23 浙江大学硕士学位论文 3 1 3 提高功率因数的方法和主要思路 功率因数校正的基本方法有两种：无源功率因数校正和有源功率因数校正。 1 ) 无源功率因数校正 采用无源功率因数校正时，在输入端加入电感量很大的低频电感，以便 减小滤波电容充电的尖峰电流，增加二极管的导通时间。这种方法简单、成本低、 可靠性高。但是体积大、笨重，校正的效果不理想，通常经无源功率因数校正后 可达0 8 5 。而且，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关。 2 ) 有源滤波器( 有源功率因数校正器) 有源p f c 技术是在整流器和滤波电容之间增加一个d c d c 丌关变换器。 其主要思想是：选择输入电压为一个参考信号，使得输入电流i i 跟踪参考信号， 实现输入电流i i 的波形与输入电压为同频同相的正弦波，以提高p f 和抑制谐波； 有源功率因数校正的另外一个功能就是为后一级电路产生稳定的直流电压。 有源p f c 的主要优点是：可得到较高的功率因数，有0 9 7 - - 0 9 9 左右。 t h d 低，可在较宽的输入电压范围内工作，体积小，重量轻。 3 2 有源p f c 电路的类型和控制方式 3 2 1 主电路的拓扑 从原理上来说，任何一种d c d c 变换器拓扑，如b u c k ， b o o s t ， f l y b a c k ， s e p i c 都可用作p f c 的主电路。但是由于b o o s t 变换器的特点，p f c 中使用的最 多的还是b o o s t 电路。 b o o s t 有源功率因数校正的优点有：输入电流连续，e m i 小。有输入 电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。输 出电压大于输入电压峰值，对市电电压为1 1 0 v 的地区非常适合。开关器件的 电压不超过输出电压值。它的缺点主要有：输入输出没有隔离。在开关、 二极管和输出电容形成的回路若有杂散电感，则在高频工作状态下容易产生高电 谚江大学硬士学黩论文 压，对开关管的安全不制。 为保证系统的可靠性和安全性，系统在p f c 输入侧加装了个降压隔离变 压嚣。 3 2 。2d c m 和c c m 王作方式 根据电感电流是否谶续，p f c 电路的工作模式可分为不连续爵电模式( d c m ) 和避续导电模式( c c m ) 。 d c m 模式瓣竣入惫浚囊瓒躁爨电压，功搴篱实瑷零电滚舞遴，不承受二摄罄 的爱向恢复电流。但是幽予变换器工俸在不造续导电模式下，霈器较大的输入滤 波器。开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断更大的峰值电流并引起很大 的关断损耗，同时还会产生严重的电磁干扰，这种工作模式的p f c 电路一般功率 ，l 、予2 0 0 w 。 c c m 模式静逄惑邀流连续，输入电流纹缓和输出电流绞渡小、秘i 夺，滤波 器体积小，电流峰值比d c m 模式要小，器件的应力相对也更小。假是它的控制方 法比较复杂。 3 。2 ，3 寿源功率因数的控裁方式 根据电流控制器控制方式的不同，丑前c c m 模式有以下几种控制方式。 峰值电流控制：开荚管导通时，电感电流上升，当达到编襁电流值时，开 关管关断，电流下降。下一个周期同样控制电流的峰值。因而这种控制方式的峰 壤电滚熬毽终图是正弦豹。 平均电流控制：平均电流控制是在峰魏电流控蒯酌基础土发展起来豹，它 增加了电流调节器，电流调节器控制输入电流的平均值，使其为正弦波。由于电 流环具有较高的增益带宽，跟踪误差小、瞬态特性较好。接下来我们就要以平均 电流控制原理设计的p f c 集成控制器u c 3 8 5 4 寒分析本系统所采用的p f