（电力电子与电力传动专业论文）三相逆变器数字化控制技术研究.pdf

一 堕室堕窒堕丕奎堂堡主堂焦堡苎 a b s t r a c t d i g i t a lc o n t r o li sb e i n gp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni np o w e re l e c t r o n i c sf o ri t s a d v a n t a g e ss u c ha sc o n t r o lf l e x i b i l i t y , h i g hi n t e g r a t i o na n dc o m p l e xc o n t r o lw a y sa n d s t r a t e g i e s d i g i t a l c o n t r o lc a n g e tp o w e r f u l f u n c t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c ew h i c hi s d i f f i c u l tf o ra n a l o gc o n t r 0 1 i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，d i g i t a lc o n t r o lm e t h o df o rt h r e e - p h a s ei n v e r t e ri s r e s e a r c h e d f i r s tt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d d i g i t a ls i m u l a t i o na r eu s e dt od or e s e a r c h t h ec o m b i n a t i o n m o d e lo fp s ba n ds i m u l i n kt ot h r e e p h a s ei n v e r t e ri sc o n s t r u c t e d t h ec o n t r o lc h a r a c t e r o f i n v e r t e ri sa l s oa n a l y s e d b a s e do nt h i s ，t h ee x p e r i m e n t a lm o d e l s y s t e mo f t h ei n v e r t e r , w h i c h i sc o n t r o l l e d b y d s po f t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，i sr e s e a r c h e d s p w mm e t h o di sa d o p t e dt oc o n t r o lt h ei n v e r t e r m o d e l d i g i t a lp i da d j u s t o r i su s e dt or e a l i z e v o l t a g el o o pa n d t h ev a l u em o d u l a t i o ni s u s e dt om a i n t a i nt h ev a l u e o f o u t p u tv o l t a g e t h ew h o l e h a r d w a r ea n ds o 脚a r eo f t h e e x p e r i m e n t a li n v e r t e rm o d e l a l ec o n s t r u c t e da n da n a l y s e d t h e p o s s i b i l i t y a n d s u p e r i o r i t y o fc o n t r o lm e t h o di sp r o v e d b y t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lm o d e l s y s t e mo f t h r e e p h a s ei n v e r t e r a l lo f a b o v e a r ep r o p i t i o u st ot h ed e e p l yr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f t h ed i g i t a lc o n t r o lo f t h r e e - p h a s ei n v e r t e r k e y w o r d s ：c o n v e r t e r , i n v e r t e r , c o n t r o l ，d s p i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机应用的日益普及和因特网技术的迅速发展，用电设备对供电质量和功 率要求越来越高，u p s 等逆变电源得到了迅速发展。在大容量场合多采用三相逆变器。 而三相逆变器控制复杂，以d s p 处理器为核心的数字化控制可以更好地满足其控制性 能要求。数字化控制用软件取代了大量的模拟器件，在很大程度上提高了产品的集成 度。而且通过修改软件，可以很方便地调节系统的各种特性，这就增强了系统的柔性 和智能性。另外，d s p 的采用使得一些先进的控制策略应用于u p s 等逆变电源的控制 之中成为可能，其实时监控变得容易实现。 1 1 逆变器的发展与现状1 3 l 逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。1 9 4 8 年，美国西屋电气公司用汞弧 整流器制成了3 0 0 0 h z 的感应加热用逆变器。 从1 9 4 7 年第一只晶体管诞生，到晶闸管s c r 、可关断晶闸管g t o 、电力晶体管g t r 的出现到实用化，电力电子技术进入传统发展时代，正弦波逆变器也随之诞生。2 0 世纪8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件， 并得到了迅速的发展，如功率场效应管p o w e rm o s f e t 、绝缘门极晶体管i g t 或i g b t 等，使得电力电子技术由传统发展时代进入高频化时代。在这个时代，具有小型化和 高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发 展。 从1 9 8 0 年到现在逆变技术处在高频化新技术阶段。这个阶段的特点是开关器件以 高速器件为主，逆变器开关频率较高，波形改善以p w m 法为主，体积重量较小，逆 变效率离。正弦波逆交器技术的发展日趋完善。 1 2 逆变器的基本形式i ，：j 逆变技术的种类很多，可按照很多种不同形式进行分类。其主要分类方式如下 1 按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变、中频逆变、高频逆变。 2 按逆变器输出相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 3 按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 4 ，按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 5 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、 i g b t 逆变，等等。 三塑垄壅璺塾兰垡丝塑垫查里壅 6 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 7 按输出波形可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 7 8 按控制方式，可分为调频式( p f m ) 逆变和调脉宽式( p w m ) 逆变。 9 按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软 ：砰关式逆变。 1 3 逆变电源数字化控制的意义1 2 9 l 早期的逆变电源，只需要其输出不断电、稳压、稳频即可，然而，今天的逆变电 源不但需要其输出电压稳定，输出频率精确，而且要求其必须环保无污染，即绿色环 保逆变电源，同时随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。 即高性能的逆变电源的设计必须考虑下列事情：( 1 ) 高输入功率因数，较低的输出 阻抗；( 2 ) 快速的暂态响应：( 3 ) 效率高，稳定性高，可靠性高；( 4 ) 低的电磁 二f 扰；( 5 ) 智能化；( 6 ) 完善的网络功能，显然这些要求的实现离不开数字化控制 技术。 传统的逆变电源采用模拟电路控制，对于生产厂家和用户而言，模拟控制存在许 多固有的缺点： 1 模拟控制采用大量的分散组件和电路板，必然硬件成本偏高，系统可靠性下 降： 2 模拟电路中存在着人工调试器件，如可调电位器，必然使生产效率和控制系 统的一致性下降； 3 由于器件的老化问题及热漂移的问题的存在，将导致逆变电源输出性能下降 甚至输出失败； 4 产品升级换代困难，对于模拟机要想升级换代必然要对控制系统做改动，则 离不开对硬件的改进： 5 模拟机的监控性能较差，一旦出现故障，一般限于声光报警等，只有技术人 员亲临现场方可排除，有极大的不便。 数字化控制可以有效的弥补这些缺点。在微处理器快速发展的今天，高性能的数 字芯片不断推陈出新，这些芯片速度越来越快，功能越来越强，集成度日趋提高，已 广泛应用于科学技术的很多领域。近几年推出的专用高速d s p 的出现，使得逆变电 源的数字控制成为可能。美国t i 公司t m s 3 2 0 系列中的f 2 4 x 及f 2 4 0 x 是专用于工 业电机驱动、功率转换和控制等的d s p 芯片，这种d s p 能够通过内部a d 模块瞬时 读取逆变电源的输出，并实时计算输出p w m 值。正是采用了这一类d s p 控制芯片， 使得一些先进的控制策略由电脑上的仿真变为实际应用。 总的来说逆变电源采用数字化控制，具有以下优点： 1 数字化控制可采用先进的控制方法和智能控制策略，使得u p s 的智能化程度 2 更高； 2 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必对硬件电路 馓改动； 3 控制系统可靠性提高，易于标准化； 4 系统维护方便； 5 系统一致性好，成本低，生产制造方便： 6 易于组成并联运行系统。 可见，数字化是u p s 发展的一个主要方向，存在很多的优点，加强对该课题的 研究必然有很大的意义。 1 4 逆变电源的数字控制策略1 2 9 ，3 删i 正是有了高性能的d s p ，才使得无差拍控制、变结构控制、模糊控制、神经网络 控制及一些先进的智能控制的思想应用到u p s 逆变电源的控制系统之中成为了可能。 但传统的经典控制也有其概念清晰、控制简单等优点，因此将p i d 等经典控制和现代 智能控制策略有效的结合起来，可以很大程度上简化控制，提高控制的可靠性和控制 效果，使控制日臻完美。 1 4 1p i d 控制 p i d 控制以其简单、参数易于整定、发展成熟之特点，广泛应用于工程实践中， t i p s 电源也不例外，早期的u p s 电源的控制，多为模拟p i d 控制，并且有较可靠的 输出效果。经实践证明采用输出电压瞬时值反馈以及加上电压有效值反馈，并利用模 拟p i d 调节器进行调节，可以有较好的稳态输出。但有非线性负载时或负载突变时， 还有改善其动态输出效果的余地。正因如此，许多技术研究人员对此进行大量的研究， 把输出电感电流或输出滤波电容电流的瞬时值引入了控制系统，使得系统的综合性能 得到了提高。然而，这样会增加模拟控制电路的规模，也使相应的可靠性下降。然而 数字化的控制策略恰恰可以弥补这一不足，既可以做到提高整个控制系统的性能，又 不增加任何硬件花销，增加的只是微处理器的软件部分。 在通常中小型u p s 系统中，开关频率一般在2 0 k 左右，因此就需要在通常要求 反馈速度较高的内环有足够高的处理速度，相应的所采用的控制策略也就不能够过于 复杂。p i d 控制恰恰可以满足这样的要求，它能够在较短的处理时间内完成控制算法， 并可以根据具体情况选择合适的控制参数，以采取合适的过渡时间、消除静差、抑制 偏差变化率等。并且随着现代控制理论和微电子的发展，还可以把一些先进的控制策 略引入到p i d 控制之中。在一些厂家最近推出数字控制的u p s 电源产品之中，也多 采用数字p i d 控制。 三塑婆奎堡塾! 垡丝型垫查竺窒一 数字信号处理器( d s p ) 的出现使得上述设想可以成为现实，而且各种先进的控 制策略都可以方便地应用于u p s 电源控制系统中，特别是对于传统的数字p i d 控制 所存在的一些问题，也可以加入各种补偿措施进行弥补，从而使得其它先进的控制思 想也不断被引入p i d 控制，如模糊p i d 、自适应p i d 、神经网络p i d 等。因此，数字 p i d 将是u p s 控制系统中最具生命力的控制方式之一。 1 4 2 智能控制 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 。美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 教授分别于 1 9 6 5 年、1 9 6 8 年、1 9 7 3 年发表了模糊集、模糊算法和基于语言变量建立模糊逻辑系 统方法等具有开创性的研究论文，奠定了模糊逻辑作为一门新学科的理论基础。1 9 7 4 年英国伦敦大学的e h m a m d a n i 教授开创性地将模糊控制逻辑成功地用于蒸气机的 控制中。1 9 8 0 年英国的r m t o n g 等人将模糊控制用于废水的处理过程。1 9 8 2 年丹麦 的l p h o l m b l a d 和j j o s t e g a a r d 共同发表了水泥窑模糊控制的论文，并推出了第一个 商用模糊控制器。1 9 8 5 年日本的m t o g a i 和h w a t a n a b e 在美国a t & t 贝尔实验室研 制成功了第一个具有模糊推理能力的模糊逻辑芯片。 模糊控制理论当然也可以在电力电子领域中得到推广应用，复杂的电力电子装置 是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的精确性总是存在着矛盾， 而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效的对复杂事物做出判断和处理。近 年来，它在电力电子领域中的应用引起了人们的重视。 针对于高性能的u p s 设计，模糊控制器有着以下优点： 1 模糊控制器的设计过程中不需要被控系统的精确数学模型，模糊控制器有着较 强的鲁棒性和自适应性； 2 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少时间，因而可以采用较高的采样率来 补偿模糊规则和实际经验的偏差。 在传统的u p s 控制系统中，通常采用电压双环控制，内环为波形调节环，为一 p i d 调节器，进行电压瞬时反馈，用来保证输出为正弦，外环为有效值调节环，用来 调节内环的静差，使输出稳定在标准的2 2 0 v 。在进行数字化时，内环是需要实时计 算的，这个处理器的计算开销是不可以节省的，因为该计算结果直接影响着p w m 波 的输出，但如果岁 环也进行实时计算将是对d s p 的一个资源浪费，因为外环的调节 速度较慢，不需要进行实时计算，调节过快反而会影响输出的稳定性。此时，便可以 应用模糊控制，设定合适的外环调节速度，通过模糊判决进行调节以减小输出的静差， 这样不仅控制效果良好，而且有效地实现了经典控制和现代智能控制的结合，为d s p 节省了宝贵的处理时间。 重复控制( r e p e t i t i v ec o n t r 0 1 ) 。重复控制最早是用于重复性机械运动机构的控 制，如机器人、磁盘驱动等，近年来许多学者也开始把它用在逆变电源中。重复控制 的基本思想源于控制理论的内模原理，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学 模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。逆变电源的重复控制主 要是为了克服整流型负载引起的输出波形周期性的畸变。它的基本原理是通过对本输 出周期各采样点上输出电压误差的检测，计算出一个补偿量，在下一个波形周期中叠 加在给定信号上，形成一个新的控制量，从而有效减小输出电压的波形畸变。为了记 忆前一周期中各时刻输出电压的值，一般采用数字控制方式实现，各变量均为离散值。 无差拍控靠l j ( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 。状态变量的无差拍控制最早是由k a l m a n 于1 9 5 9 年提出，在8 0 年代中期，无差拍控制开始应用于逆变电源的研究。瞬时控制逆变器 工作在高频开关状态下具有很好的动态响应性能，但它是模拟实时控制，平均开关频 率附近的谐波幅度比较大。无差拍控制的闭环数字反馈系统用以测量输出并产生所需 的p w m 脉冲，生成低n m 的正弦输出电压。其数字控制算法设计为控制脉宽，力 图使在每个采样点上输出电压等于正弦参考。理论上任何扰动或非线性负载引起的输 出相对于基准的偏差都可以在一个采样周期内得以校正。但它的控制算法中，把负载 也作为一个输入参数，因此对参数变化非常敏感，且实现复杂。 1 5 三相p w m 逆变器的电路拓扑 目前三相逆变器的主电路拓扑主要有三相桥式逆变器，三相半桥逆变器和三相四 桥臂逆变器等。 1 三相半桥逆变器 三相半桥逆变器也有结构简单，功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串 联电容的中点，作为输出的中点，可构成三相四线制的输出。为了防止中点电位的偏 移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量增加。而且半桥电路只是利用 直流母线电压的一半，因此，三相半桥逆变器仅适合于低压小功率的场合。 2 组合式三相逆变器 组合式三相逆变器由三个单相逆变器组合而成，每相逆变器相互独立。只要控制 三相基准正弦波互差1 2 0 度，将三台输出的地连在一起作为中线就可以实现三相四线 制的输出。 3 三相四桥臂逆变器 三相四桥臂逆变器是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂。该桥臂的作用是 形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对称度。逆变器的输入端采用谐振直 流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂， 但仍是目前研究的一个热点。 4 三相桥式逆变器 三相桥式逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。但是为 了得到三相四线制的输出电压，提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端增加 s 三塑望壅璺墼兰些丝型苎查里塞 中点形成变压器，使逆变器的体积和重量显著增加。 1 6 三相脉宽调制方式 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制是利用相当于基波分量地信号波对三 角载波进行调制。 这里相当于基波分量的信号波并不一定是指正弦波，在p w m 调制重可以是预畸 变的信号波，三角载波也只是为了形象说明调制原理而借用或用模拟电路产生p w m 脉冲时必须采用的波形，在用数字化技术产生p w m 脉冲时，三角载波实际上是不存 在的，完全由软件的定时器代替了，这样既可减少硬件投资又能提高系统可靠性。 目前的p w m 的实现方式主要有正弦p w m ( s p w m ) 、准最优p w m 、开关损耗最小 p w m 、电压空间矢量s v p w m ( s p a c e v e c t o r p w m ) 、选择谐波消去法s h e 的s p w m 等。 1 6 1 三相s p w m l 3 4 】 正弦p w m ( s p w m ) 是逆变器基本的p w m 调制方式，它的缺点是，即输出电 压不够高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的于2 倍，在同等的开关频率下， 它的开关损耗较大。 s p w m 就是在p w m 的基础上，使得输出电压脉冲在一个特定的时间间隔内的能 量等效于正弦波所包含的能量。s p w m 逆变器的实际应用有两种，一种是载波为全 波三角形的二阶s p w m 逆变器，另一种是载波为半波三角形的三阶s p w m 逆变器。 前者往往作为三相逆变器的一相使用，而后者则往往为单相使用。本文只讨论载波为 全波三角形的s p w m 逆变器。 对于三相s p w m 而言，为了保证三相输出电压的对称性，载波比n 应取3 的奇 整数倍数。这样不仅可以保证三相s p w m 波形相同，同时载波及载波上下边频中的 零序谐波也容易消掉。当载波为共用的三角波，调制波为三相正弦波时，三相逆变器 各相输出电压的二阶s p w m 波形及线电压的三阶s p w m 波形如图1 1 所示。由于三 相逆变器三个桥臂用的是共同的直流电源e ，每一个单相半桥逆变器的直流电源就是 e 2 。 对于载波比n 应取3 的奇数倍中为什么要取奇数倍，可以先看一看三相中的一 相调制波与载波的交截情况。如图1 1 示，在调制波大于三角波的部分输出正脉冲， 在调制波小于三角波的部分输出负脉冲，完整的s p w m 波形就是负载上u l 的波形如 图示，它有+ e 2 和一e 2 两个电平，故称为二阶。其开关频率与载波频率相同。一 般来说s p w m 可用于同步式和非同步式调制，这里由于所讨论的逆变器是用于u p s 南京航空航天大学硕士学位论文 电源的，用于u p s 电源的逆变器 频率变换范围不大，可以采用同 步式调制。同步式调制时，各周 期内所不含的脉冲模式具有重复 性，也就是载波比n 是一定的， 所以讨论n 的取值有较大的意 义。 正弦调制波与三角波交截涉 及到两个问题，一个是三角波与 调制波的起始点问题，一个是三 角波相对调制波频率的比值。对 于第一个问题正弦波调制起始点 共有四种，即起始点在三角波的 正、负峰值处，上升沿与下降沿 的零点处。实际上可以证明正弦 调制波起始点位置的不同对输出 基波与谐波的幅值及谐波的次数 是没有影响的。在数字化p w m 调制中一般来说取三角波的正负 峰值。 图1 - 1 三相s p w m 波形 对于同步式s p w m 中载波比对输出的影响可以看图比较，可以得出对于与全三 角波比较，载波比n 至少应该为2 ，这也正好符合香农采样定理。如果n = 2 ，显然 为单脉冲的p w m ，n 值取得很大时，可以使得s p w m 法具有很好的谐波抑制能力。 下面对载波比为n 时s p w m 的基本及谐波分量作一理论分析。设基波角频率为( o l ， 载波角频率为地，有0 0 s = n 1 。为了实现s p w m ，将正弦波的一个周期平均分为n 等份，于是得到一份的宽度为2 7 r n ，假设电压脉冲的高度不变，即假定逆变电源的 直流母线电压恒定，而且直流母线的电压不小于正弦波的峰值电压，使得第i 个等份 的电压脉冲与正弦波所包围的面积分别成比例，即： q + 2 x n 8 , e 2 = j vs i n q t d ( m l t ) ( 1 - 1 ) “ 当n 为奇数时，波形图所给出的函数为奇函数，这样所得谐波只有奇数次谐波而没 有偶数次谐波，减少了谐波含量。而且具有半周期内对称得性质。 1 6 2 电压空间矢量p w m 电压空间矢量( v o l t a g es p a c e - v e c t o r ) 是8 0 年代中期国外学者在交流电机调速中 7 三相逆变器数字化控制技术研究 提出，由磁通轨迹控制思想发展而来的，其物理概念清晰，算法简单且适合数字化方 案。其思路是把互差1 2 0 度作正弦变化的三相电压看作由一个在空间进行旋转的矢量 ：分解而成，此方法可以把直流利用率m 提高到1 1 5 4 7 ，因其含有零序分量使直流利 用率提高f 3 7 】。 三相逆变器所输出互差1 2 0 度的a 、b 、c 三相，其电压标量v a ( t ) 、v b ( t ) 、v c ( t ) 可以由d o q 复平面上的一个矢量驴来表示。 口= 2 3 v a ( t ) + 声v b ( t ) + 夕2 v c ( t ) 】 ，! 三 式中空间角度雳= e 1 当u ( t ) 、v ( t ) 、w ( t ) 为相位上互差1 2 0 度， 弦量时。 v a ( t ) = m c o s ( 2 n f ，) v b ( t ) = m c o s ( 2 矿，一2 x 3 ) v c ( t ) = m c o s ( 2 矿r 一4 z r 3 ) ( 1 - 2 ) c 频率为f 的正 a ( 1 3 ) 图1 2d q 平面 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 则有口( f ) = m e 2 可 三相逆变器的电路主要部分如图2 - 1 示，有六个功率开关管，其中三个为上级开 关管，三个为下级开关管。它们两两 组合分别控制a 、b 、c 三相的输出， 当每相的上级开关管( 如q 1 ) 闭合 时，相应的下级开关管( 如q 2 ) 就 断开。所以，由上一级功率开关管 ( q 1 、q 3 、q s ) 的状态，也就是它。” 们导通关断的情况就可以计算出输 出的电压。 当相应的上一级功率开关管开启 时，从该相输出的电压v x ( x = a 、b 、 c ) 等于电源电压u d e 。当它断开时， 电压为零。 图1 - 3 空间矢量的合成 上一级功率开关管的开启和断开有八种可能组合。a 、b 、c 三相上级开关管导通 为1 ，关断为0 ，则这八种组合分别为( o00 ) 、( o01 ) 、( 0l0 ) 、( o11 ) 、( 100 ) 、 ( 101 ) 、( 1 1o ) 、( 11 1 ) 。按前面所述空间矢量的思想进行d q 变换处理，可将相应 的八种组合映射到d o q 平面，实质上得到了八个基本矢量 南京航空航天大学硕士学位论文 瑶( 0 0 0 ) ，砰( 0 0 1 ) ，兄( 0 10 ) v 7 ( 1 1 1 ) ，其中露、瓦为零矢量，其余为工作矢量。工作矢量 构成六边形的轴线，相邻两矢量夹角为六十度。两个零矢量位于坐标原点基本矢量在 d o q 复平面上的分布见图1 3 。任何一个矢量都可以用两个工作矢量和一个零矢量来 表示，例如图中旷按平行四边形法则由t 和瓤来表示。 因为在任何时候三相输出电压向量都落在六个工作向量中的两个之间，也就是右 图中i ，i i ，v ，六个区间中的一个。因此，可以在任意一个p w m 周期 里通过找出两个工作矢量然后由这两个矢量来合成所期望的矢量。例如，图1 3 中在 区间i 的矢量寸的合成方法如下： j v = k 4 v 4 + k 6 v 6 + k x v x( 1 6 ) i k 4 + k 6 + k x = l 。 式中七4 为只的加权系数， 七6 为坟的加权系数， 七4 = t 4 耳， k 6 = t6 t p ， t 为丘的加权系数，k ，= f ，耳 疋为p w m 载波周期 式中丘可以是吒也可以是丘或是两者组合。从图1 - 3 可看出旷只决定于七。和k 。的 值，而，= l 一。一。 一个p w m 周期内的实现过程如图1 4 所 示。但是由于零矢量的概念是建立在电机上 的，电机负载比较特殊，它三相对称而且三相 接负载后共同连到一端点上不需要中线。当三 相上级开关管同时开通或闭合时，三相之间没 有电势差，且又没有中线引出这时它们之间将 不会有电流，也就形成了零矢量。在接其它负 载时，由于负载有可能不平衡，这时负载上的 电流既有正序分量又有零序分量和逆序分量， 所以必须有中线。 ， ， ，一丘( 1 l o ) 图1 - 4 相电压在工作向量上的投影 由于输出由两个相邻的带加权系数的工作向量而定，所以三相电压的反馈也必须 等效变换为两个工作向量的值。如图1 4 中的矿+ ，合成向量处在i 区间，由疗与露合 三相逆变器数字化控制技术研究 成所以反馈也必须等效变换为只与或的绝对值。具体变换过程须先将v a 、v b 、 v c 进行d q 变换得到v d 和v q ，再将v d 和v q 分别投影到只和攻上即得到反馈值，d q 变 换矩阵公式如下示： 洲；坞- 加i 3 矧- 1 1 3 圈 ， 由v d 和v q 再根据空间矢量所在的区间来换算成反馈值。例如图i - 4 中，当在i 区 间时其变换如下所示： 刖k 瓣嘲 m s ， 由( 1 7 ) ( i - 8 ) 两式可得： 阱协h 划翻 m ， 由上式可知实际上a ，b ，c 可以直接投影到两个工作向量上，而勿须经过d q 变换。 如图l - 4 所示为v a ，v b ，v c 在只和玩上的投影。在另外的五个区间上，也可以用类 似的方法来获得v a ，v b ，v c 在对应的两个工作矢量上的投影。 电压空间矢量算法简单且适合数字化方案，并且这种方法具有最高直流电压利用 率，这种方法可以使每个桥臂在半个周波里有6 0 度的时间维持某一开关状态，故在 同等载波频率下。开关频率较传统s p w m 少三分之一，降低了约3 3 的开关损耗。 1 6 3 准最优p w m 准最优p w m 也称三相马鞍形p w m ，它与正弦波p w m 的不同仅在于调制信号， 它是在正弦波信号上叠加一个三次波，使之成为鞍形波。这种p w l v l 逆变器的特点是： 1 ) 输出电压较高，较正弦p w m 方式直流电压利用率高1 5 ，最大调制度m 可 达o 9 0 7 ；2 ) 基波频域不存在谐波，即不存在低次谐波干扰；3 ) 开关频率与载波频 率相同；4 ) 仍然为相电压控制方式。 1 6 4 开关损耗最小p w m 也叫两相马鞍形p w m ，它的方法是使输出的线电压保持在正弦的条件下，使调 制波畸变。这种调制称为线电压调制法。它的优点是开关损耗低，与相电压调制法相 比，可以使开关损耗降低1 3 ，它的输出电压也较高，直流利用率提高1 5 。 1 7 本文的主要研究内容 本文研究工作的目的是实现基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的三相逆变器( u p s ) 的数字化控 制，开发出相应的数字化控制硬件和软件平台，为下一步的产品化建立基础。 本文的研究工作主要包括以下几个方面：研究现有的控制技术，确定采用输出电 压瞬时值反馈的数字p i d 调节器；实现输出波形控制：实现了正弦p w m 调制及电压 空间矢量的初步闭环：并实现市电跟踪；u p s 逻辑控制功能的数字化即u p s 的各类 保护、监测等。 本文一共分为六章。 第一章绪论介绍选题的背景和意义。 第二章主要介绍了三相逆变电源系统工作原理、控制功能等，也对整个逆变器控 制系统的特性做了一定的仿真、分析，为本文提供了研究背景资料和理论基础。 第三章介绍了本课题的整个硬件实验系统平台。主要是以d s p 为核心的硬件控 制系统，包括信号采集、调理部分，处理器各资源分配，以及控制信号的输出及驱动 等，也介绍了搭建控制平台的具体解决方案等。 第四章具体介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的软件设计和实现方案。其中介绍了软件锁 相环的实现、波形控制、有效值调节、各类故障保护和监控等，并给出了有关软件设 计理论依据，并预测了理论输出效果。 第五章主要介绍了小型逆变模块的设计，并给出了相关的实验波形。给出了小型 逆变器各元器件的参数选取，同时也给出了开环输出波形、闭环输出波形，市电跟踪 波形、缓起动波形等。 第六章最后对全文的工作进行了总结，并就下一步工作进行了展望。 第二章三相p w m 逆变器的分析和仿真 本章从三相半桥逆变器的输出特性进行分析入手，系统地分析逆变器的输出特 性、电压瞬时值及电压有效值闭环控制。在m a t l a b 软件平台上，用m a t l a b 的 固有函数构造三相逆变器的p s b 模型，并且将这种模型与原有的s i m u l i n k 模型相 结合，实现三相逆变器的主电路一控制，模拟一离散数字控制的混合仿真。 下图为典型的三相p w m 桥式逆变器的结构： u d c ：撵q2- ) q 。吲o (q s 剑o ( 一v a r 一 l v br 一 ) 。t go (q e go ( 图2 - 1 三相p w m 桥式逆变器的结构 2 1 三相桥式电路的输出特性 v c 现在的逆变电源中的电力电子开关，通常是由i g b t 、m o s f e t 等可控器件构成， 两个这样的开关上下串联，就构成了一个桥臂。每个桥臂输出一相，三个桥臂就构成 三相桥的基本电路。作为u p s 用三相逆变电源，要求输出有中点。用两相同的电容 串联于输入直流母线之间，任一电容端电压必为母线电压的一半，两电容间中点可作 为三相四线交流电源的中点，这种电容形成中点的连接电路就叫三相半桥逆变器，如 图2 2 所示。三相电源的中点也可以通过在三桥臂引出端加变压器，如中点形成变压 器或三角形星形变压器来实现，构成三相桥式逆变器，如图2 2 所示。 三相逆变电源主电路最常用的结构包括三相桥式和三相半桥，在前所述的电压空 图2 - 2 三相逆蛮器形成中占的两种由璐 间矢量p w m 和准最优p w m 调制中，适合于全桥逆变器。这些方法之所以能增大直 流母线电压的利用率，其根本上是因为在三相电压中注入了三次及三的倍数次谐波。 在三相全桥逆变器电路中不存在三次及三的倍数次谐波的回路，或者能自动滤除三次 及三的倍数次谐波。而s p w m 模式控制既适用于母线上串连电容形成中点的三相半 桥式逆变器，也适用于三相桥式逆变器。 一般逆变器都采用l c 低通滤波器输出功率，对于三相的每一相来说也是如此。 采用二阶l c 低通滤波器时的等效电路，它的输出阻抗为： z o2 丐1 式中， 2 丽r l 乜：童：! 丝窆 2 l 对越 气时，g e z 等，如a ，于是有： z o _ 吾两1 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) z o 随变化，o 为谐振点，这时有n 圮一= o ，即0 3 。= 7 兰一。 0 9 c l c 由此可见，逆变器的输出阻抗不为零。当负载电流存在谐波成分时，就会在逆变 电源的输出端产生谐波电压。如果这一谐波电流的频率很接近l c 滤波器的谐振频率 时，就会在引起相当大的谐波电压，给输出波形带来畸变。 由上分析可见，由于逆变器内阻存在，非线性负载带来的电流波形的畸变，是影 响p w m 逆变器电压的主要原因。非线性负载多含有非线性元器件，其伏安特性是非 线性的，即使这时供电电压为标准的正弦波输出，负载电流中由于含由丰富的谐波电 流，波形会产生畸变。但是今天的逆变电源负载多为整流性负载，很多信息处理设备 及电子仪器电源的输入端，由于二极管的单相导电性，在逆变器的输出电压大于或等 于负载电容电压时，二极管在导通，负载呈现较低的阻抗。在逆变器的输出电压小于 或等于负载电容电压时，二极管关断。整个电路的拓扑结构周期性的发生变化，激发 一系列的瞬态过程，而逆变器的输出电流侧畸变为一系列的尖顶脉冲。对于此类问题， 可通过再加l c 谐振电路来滤除某一次或某一频段谐波，但这不仅使电路复杂化也增 l i n t 电源的重量和体积。也可通过增加载波频率来改善波形，但是功率开关管开关是 有损耗的，载波频率的增大必然导致开关频率的增大，使电源的损耗增大，而且增加 载波频率只能改善波形，效果也不会太好。与上述方法比较，从控制角度出发，通过 引入输出电压瞬时值反馈控制来解决非线性负载带来扰动，抑制谐波是比较合理的方 案。 由前分析l c 低通滤波器谐振频率的选择要考虑如下三点： 1 ) p w m 调制信号的谐波含量； 2 ) 滤波器的体积重量； 3 ) 逆变桥容量的有效利用率。 交流滤波器进一步衰减逆变桥输出电压的谐波含量，使输出端电压的波形质量合 乎指标要求。合理地设计交流滤波器可以获得优良的系统性能。 在谐振频率取定的情况下，电感量，电容量的合理选择，定性的说，要考虑如 下几点： 1 ) 滤波电感l 偏小，电容c 偏大，则感抗减小，容抗也减小，在一定的负载下。 所需直流母线电压降低，g t r 承受的电压降低，电流提高：反之，l 偏大，c 偏小， 则对g t r 的电压定额要求高，电流定额要求低。 2 ) 滤波电感的大小。在三相不对称负载情况下，对相电压的不平衡度有影响。若 滤波电感偏大，不对称电流经过的通道阻抗增大。因而，在一定的不对称负载下，中 点偏移就更严重，也就是说，端电压对称性更差。但是交流滤波电感偏大对短路的故 障保护是有利的，可以限制瞬态短路电流的峰值。 3 ) 从减小逆变器的输出阻抗的角度来看，希望滤波电感l 减小，电容c 增大， 这样，当负载为非线性负载时，对波形失真度的影响可以减小。 ， 4 ) l 、c 的不同选择也会对线性负载端电压的波形质量产生影响。例如：当负载 为感性负载时，若电感l 偏小，电容c 就偏大，负载对滤波网络谐振频率的影响就 越小，谐振频率上升得不大，但是，电容偏大，带来的一个问题是增大了逆变桥的 无功负载。 2 2 三相桥式逆变器的闭环控制 2 2 i 电压瞬时值反馈控制一一波形控制 s p w m 逆变电源电路中的滤波器的截止频率都会远远小于开关器件的开关频率， 而理想的s p w m 波形只含有开关频率及开关频率倍频附近的高次谐波，这些高次谐 波均可以被滤波器衰减到可忽略的程度。而在实际的电路中。任何开关管的开通和关 断都不是瞬时完成的，需要一定的时间，在这一时间内管子上的端电压和流过管子的 j 4 电流同时存在。如果一个桥臂的上下管的开通时间完全互补则由于上下管开通和关断 的延时，使得在这一时间段内上下桥臂造成直通也就是短路。为了避免这一情况的发 生，在硬开关状态下通常是将管子的开通时间延时或者将关断时间提前，也就是加上 死区。 早期逆变电源的数字控制，由于微控制器的速度有限，很难对逆变电源的瞬时值 进行实时采样和控制，而是多采用输出电压的有效值反馈。对于电压输出波形开环的 系统，无法克服由于死区、整流性负载等因素而引起的低次谐波，而这些低次谐波又 难于被输出滤波器滤除掉，从而导致输出电压波形畸变严重。另外，对于直流电压及 负载的动态电压波动，若仅仅采用输出电压有效值反馈进行调节，系统对各种扰动影 响的调节会有周期的延时。为了较好的解决这些问题，本文将逆变电源输出电压的瞬 v 图2 3 解耦控制的三相s p w m 时值反馈加到控制系统中，对其进行瞬时值的p i 控制。而瞬时值的p i 控制需要高性 能的微处理器及高运算速度的d s p 的支持。 除了电压瞬时值反馈，还应该加上有效值调节。瞬时值调节可以调节输出的瞬态 响应，但为了使输出电压对于轻载和重载，能保持输出电压有效值的稳定，还应该加 上有效值的调节。 一般来说u p s 中s p w m 逆变电源的控制原理如图2 - 4 所示。不同于一般逆变电 图2 - 4s p w m 逆变电源的控制原理 三塑垄壅塑塑兰些丝型垫查竺塞一一一 源，电源的基准正弦还要跟踪市电。对于三相逆变器可以有三个正弦基准，再对三相 电压进行调节。在数字控制中，只要给出一个正弦基准表，用三个互差1 2 0 度的指针 指向此表即可获得对称的三相基准正弦。而将三相的输出与基准比较，再进行p i 调 节来获得控制信号。 由于用数字控制，容易实现坐标变换，基准波可用对称三相正弦波投影到d q 坐 际系给出：而三相输出也须经d q 变换反馈到基准，获得差值，进行p i 调节，然后进 行d q 反变换得三相调制波与载波。( 三角波) 交截，输出p w m 控制信号，见图2 - 4 。 这种方法为三相解耦控制，有助于从三相电压的正序负序及零序分量来对波形进行输 出调制，以消除负序及零序分量，从而输出所需要的正序电压。 采用s p w m 方式，每一相都进行单独控制，没有人为加入零序分量，逆变桥输 出的三相电路的中点可用大电容形成中点，也可用中点形成变压器形成中点，如图 ：2 2 。 2 2 2 输出电压有效值控制 在逆变电源的整个电压瞬时值闭环控制系统中，虽然有了较好的波形控制，但稳 压性能却相对较差。由于整个电源不可避免的存在有内阻，当负载由轻到重时，输出 会随负载的加重而降低，这个峰值变化量如果不加控制会很大，折合成有效值远大于 l 电源的稳压指标。可见要保证系统的稳压精度必须采取有关措施。系统输出之所以会 随负载量的改变而变化，是由于系统的有差调节造成的。要消除静差是不可能的，但 是可以进行适当的补偿。在大多数电源系统中，通常一般采用有效值反馈来补偿。因 为输出除了受负载影响，还与基准的大小有关，故通过直流电压外环调节基准以达到 稳压的目的。 对于三相不平衡负载同样因为各相的内阻各不相同，各相负载的轻重也有所差 别，也需要对各相基准进行调节，来调节各相的有效值，使三相逆变器在负载不同时 也能平衡的输出平衡的交流电压。 2 3 基于m a t l a b 的仿真分析方法 电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电子技术和控制技术，对电气设备 的电功率进行变换和控制的一门技术。1 9 8 0 年代以来，由于半导体器件，电子技术 等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生了巨大 的作用，已被各国专家学者称为是人类社会即计算机之后的第二次电子革命，它在世 界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。 为了大幅度地提高效率，在研制新型电源系统的过程中，往往采用如下的程序： 首先提出一个新的设想；然后对其进行仿真以验证该设想的可行性，并预测其性能参 堕塞堕皇堕鲞查兰堡主堂堡堡塞 数；在达到了预期效果之后，再进行硬件的实现。这种方法已经逐步成为了科研工作 的种主要模式。 2 3 1 常用的仿真软件 p s p i c e 程序是“p e r s o n a ls i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ”的 缩写。该程序是由m i c r o s i r n 公司出版的。它是当今众多s p i c e 不同分支中的一种， 是在s p i c e 的基础上开发改进而成，是电子c a d 中的电子模拟软件，主要用在p c 机上 作电路分析设计的模拟和仿真。p s p i c e 程序的目的是在所设计的电路硬件实现之前， 先对电路设计进行模拟运行，以模拟的结果来对实际硬件电路进行可行性论证分析。 p s p i c e 程序即可提供时域仿真，又可提供频域仿真。它能对电路的动态工作过程进 行细致的仿真分析。可它缺乏控制系统的设计工具和分析手段，难以进行机电控制系 统的混合仿真。 m a t l a b 语言是一种功能强大的控制系统计算机辅助设计和仿真语言，尤其是 它提供的s i m u l i n k 仿真工具具有图形化、模块化界面，易于实现很多控制系统仿 真，可以避免大量时间用于编制仿真程序。但在m a t l a b5 2 以前版本所提供的模块 中没有电气系统模型。