单周期控制及其在电力电子中的应用毕业论文.doc

攀枝花学院本科毕业设计 论文 1 绪 论 1 单周期控制及其在电力电单周期控制及其在电力电 子中的应用毕业论文子中的应用毕业论文 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACTABSTRACT II 1 1 绪论绪论 1 1 11 1 单周期控制技术概述单周期控制技术概述 1 1 21 2 单周期控制技术的理论研究单周期控制技术的理论研究 1 1 2 1 单周期控制变换器可行性研究 1 1 2 2 单周期控制变换器的建模 1 1 2 3 单周期控制变换器的稳态和动态性能研究 1 1 31 3 单周期控制技术在电力电子领域的应用单周期控制技术在电力电子领域的应用 2 2 2 单周期控制技术单周期控制技术 4 2 12 1 单周期控制的基本原理单周期控制的基本原理 4 2 22 2 单周期控制的控制机理单周期控制的控制机理 6 2 32 3 单周控制与单周控制与 PWMPWM 控制方法的比较控制方法的比较 9 3 3 单周期控制在功率因数校正中的应用单周期控制在功率因数校正中的应用 10 3 13 1 单周期控制单相单周期控制单相 B BOOSTOOST PFCPFC 工作原理工作原理 10 3 23 2 单周期控制单相单周期控制单相 B BOOSTOOST PFCPFC 控制回路设计控制回路设计 11 4 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应用单周期控制技术在全桥逆变器中的应用 14 4 14 1 单周期控制单相全桥逆变器的原理单周期控制单相全桥逆变器的原理 14 4 24 2 双极性控制模式双极性控制模式 15 4 34 3 双极性控制模式数字控制算法的实现双极性控制模式数字控制算法的实现 16 4 44 4 单极性控制模式单极性控制模式 17 5 5 电力电子电路的仿真电力电子电路的仿真 20 攀枝花学院本科毕业设计 论文 1 绪 论 2 5 15 1 MATLAB SMATLAB SIMULINKIMULINK仿真平台仿真平台 20 5 25 2 示波器的使用和数据保存示波器的使用和数据保存 21 5 35 3 S SIMULINKIMULINK模块库模块库 23 5 45 4 单周期控制单相单周期控制单相 B BOOSTOOST PFCPFC 仿真仿真 25 5 55 5 单周期控制器双极性控制模式的仿真单周期控制器双极性控制模式的仿真 27 5 65 6 单周期控制器单极性控制模式的仿真单周期控制器单极性控制模式的仿真 30 结论结论 33 参考文献参考文献 34 致致 谢谢 35 1 绪论 1 1 单周期控制技术概述 美国加州理工学院 K M Smedley 博士在上个世纪 90 年代初期提出了一种在 开关放大器的 PWM 技术上发展起来的大信号 非线性控制理论 即单周期控制理 论 它通过对开关占空比的控制 让开关变量平均值在每个开关周期中都严格等 于控制参考量或与控制参考量成正比 也就是说让其平均输入电流跟踪参考电流 同时不受负载电流管制 这样就算负载电流谐波很大 输入电流也不畸变 现阶 段 由于单周期控制的简单结构 快速度响应 稳定性及高精度 高速度和高抗 干扰等特点 使其发展迅速且遍及各个领域 就电力电子中的应用来讲 有 DC DC 变换器 不间断电源 有源滤波器 逆变器 交流稳压电源 光伏电源 最大功率跟踪控制 功率因数校正 功率放大及静止无功发生器等 在国外已有 公司致力于单周期模块商业化 1 2 单周期控制技术的理论研究 单周期控制是非线性控制和开关电路的结合 并在一个开关周期内抑制输入 扰动 因此在各种开关变换器中得到广泛使用 单周期控制输出有效地跟踪参考 信号 具有快速响应 恒定的开关频率 跟随性强 鲁棒性好和适应性强等特点 1 2 1 单周期控制变换器可行性研究 研究单周期控制变换器的线性开关系统时 我们以 DC DC 变换器为例 在一 攀枝花学院本科毕业设计 论文 1 绪 论 3 个和多个输出可控周期充要条件下 以基本周期建立 DC DC 变换器非线性开关模 型 在一个周期和多个周期内对 Buck Boost 和 Buck Boost 变换器的输出可控 性进行研究 研究表明 在一个和多个周期内上述基于单周期控制的变换器均输 出可控 即证实了单周期控制变换器的可行性 1 2 2 单周期控制变换器的建模 随着高性能计算机建模软件的大众化 让单周期控制器的建模得以轻松实现 例如在三相有源电力滤波器的应用中 采用开关信号流图 用相关软件对其主电 路及控制电路进行建模 生成大信号 让我们系统了解了有源滤波器工作过程 随着一些高性能数学分析软件的普及 用数据分析结合软件建模 让单周期控制 变换器的建模得以更精确 实践更容易 以 DC DC 变换器为例 结合采样数据建 模和分析法 可得出系统的大信号分析 稳态分析和小信号分析 1 2 3 单周期控制变换器的稳态和动态性能研究 以单周期控制的 Cuk 电路为例 其动 稳态性能的分析 是以平均状态空间 方法的 D d 法实现的 其中 D 控制电路开环稳态条件下占空比 d 反馈 占空比调制 这让多变量单一化 即对多变量的分析转变为对单变量的分析 这 样可将对状态矢量的分析转变为对单变量和 D 的分析 然后提出系统在允许条件 下工作在稳定平衡点的最大占空比工程算法 使稳定性判据简化 单周期控制算 法的收敛条件可用庞加莱映射法证明 庞加莱映射法指出 发散只会发生在一个 狭窄线性周期内 故要保证全局稳定性 只需部分满足其收敛函数 若系统工作 不在收敛域内 因收敛条件限制 其状态会自动转为收敛域内 1 3 单周期控制技术在电力电子领域的应用 单周期控制简单结构 快响应速度 良好稳定性 高精度 高速度及高抗干 扰的控制要求 使其优于其他 PWM 控制法 目前单周期控制在电力电子领域的应 用广泛 如 DC DC 变换 不间断电源 有源电力滤波器 光伏电源最大功率点 跟踪控制 功率放大和功率因数校正等 重庆大学学者在对单周期控制功率因数的研究基础上 提出一种全新的三相 高效率 Boost PFC 拓扑结构 他们在研究过程中 主要致力于对流过主开关电流 进行分析 通过让流过主开关电流最大程度减小的方式 来达到在高频率工作状 态下也不引起大开关损耗的目的 这种方法在功率因数校正上得到很好的验证 目前已通过试验样机调试 而燕山大学学者主要研究了单周期控制的单相功率因 数校正技术 据悉 该校现已成功研制和调试了 200W 的单相 Boost 功率因数校 正器的试验样机 攀枝花学院本科毕业设计 论文 1 绪 论 4 在单周期控制的 DC DC 变换器的研究上 浙江大学可算得上是先行者 大多 数对 DC DC 变换器的研究都是从 DC AC 过渡过来的 早在 90 年代中后期 浙江 大学学者就成功研制了一种基于单周期非线性控制的 48VDC 220VAC 正弦波逆变 器 该逆变器输出电压稳定精度较高 且具优良动态特性 南京航空航天大学学 者在单周期控制的 DC DC AC 变换器上也进行了一系列研究 研究成果表明 单 周期控制半桥式 DC DC 变换器 双管正激式直流变换器型高频环节 DC AC 逆变器 正反激组合式双向功率高频环节 DC AC 逆变器均可进行仿真 且现在已完成单周 期控制的半桥 DC DC 变换器的试验样机 华南理工大学学者在单周期控制技术应 用于开关电容 DC DC 变换器上也进行相关研究 但目前只停留在变换器理论分析 和系统仿真阶段 重庆大学学者致力于单周期控制的开关功率放大器研究 他们重点针对单周 期控制开关功率放大器输出端的直流偏置问题 提出一系列改进方案 并由仿真 和实验研究加以验证 现阶段已成功研制了试验样机 重庆大学学者在研究单周期控制的静止无功发生器时 建立了相应的数学模 型 重点分析使直流侧电压波动和两电容电压不平衡因素 并在单周期控制法基 础上提出一种简单有效的解决方法 现处于系统仿真阶段 重庆大学学者在对单周期控制的有源电力滤波器进行研究时 主要是将单周 期控制用于四桥臂三相四线制有源电力滤波器 通过对开关周期平均模型的分析 推导出相应的控制方程 在得到控制方程最简解后 建立单周期控制的三相四线 制有源电力滤波器电路模型 系统的零序电流 无功电流及谐波可通过单周期控 制的三相四线制有源滤波器进行较有效可靠的补偿 但目前该研究仅处于仿真阶 段 燕山大学学者虽然研制成功了试验样机 但效果不是很理想 华南理工大学学者基于并联开关变换器的交错运行机理 提出一种新型的均 流控制方法 即单周期控制均流技术 利用单周期积分性质和快动态响应 控制 并联运行变换器的电流 从而确保各单元电流平均分配是此项技术的主要形式 现采用不连续交错运行方式 将此均流控制技术应用于并联 Boost DC DC 变换器 对其控制电路进行理论分析 探讨 设计和制作 目前试验样机已研制成功 均 流控制方法和均流效果均表现良好 燕山大学学者在开关电源基础上提出了一种 绿色 开关电源拓扑方案 该 开关电源拓扑前级是无辅助换流软开关 Boost 功率因数校正电路 其控制采用单 周期控制方案 后级主电路是一种新型零电压零电流移相全桥 DC DC 变换器 据 悉 现今该校 200W 开关电源试验样机已研制成功 上述总结是近年来单周期控制技术领域的研究进展与成果 限于个人能力和 攀枝花学院本科毕业设计 论文 1 绪 论 5 课题的保密性 仅提供以上大概研究动态和进展情况 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 6 2 单周期控制技术 美国学者 Keyue M Smedley 和 Slobodan Cuk 在 Buck 电路的基础上提出了一 种新型的大信号 非线性控制方法 即单周期控制技术 单周期控制技术是利用 开关变换器的脉冲调制和非线性特征实现对实时电压和电流平均值的瞬时控制 其特点为 快速度动态响应 强输入扰动抑制能力等 单周期控制技术 有效地 克服传统电压反馈控制缺陷的同时 也忽略了电流模式控制中的人为补偿因素 单周期控制的简单结构 快速度响应 良好的稳定性及高精度 高速度和高抗干 扰能力 是其他现有 PWM 技术无法超越的 故目前单周期控制的应用已涉及各大 领域 就现阶段而言 单周期控制器大多用模拟电路方式实现 但对于那些要求 较高的 如可复位积分器运放的选取 电容放电时间的控制等方面 模拟电路已 不能满足 而数字控制技术的采用可实现通讯和实时的电源管理 故从数字控制 方面实现单周期控制成为一种必然趋势 2 1 单周期控制的基本原理 t t t ty PWM S tx ts on T s T tstxty 图 2 1 单周期控制原理和波形图 如图 2 1 设为输入信号 为输出信号 S 为理想开关 当 S 的开关 tx ty 频率远大于的频率带宽时 则在一个开关周期内的值可认为是不变的 tx tx 那么在一个开关周期的平均值 ty 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 7 式 2 1 dttxdt T txdttx T ty onon T s T s avg 1 1 00 式 2 1 中 开关 S 驱动占空比 在一个开关周期内输出信 son TTdt 号的平均值等于输入信号和占空比的乘积 由此可见 开关是非线性 ty txdt 的 在一个开关周期内 对的控制可使的积分值和参考值的积分值相等 dt ty ref V 即 式 2 2 son T ref T dtVdttx 00 恒频控制时 开关周期为常量 若参考信号频率带宽远低于开关频率时 在 一个开关周期内可瞬时控制平均值 也就是说 S 的开关频率远大于的频 ty ref V 率带宽时 有 式 2 3 ref T ref s T s avg VdtV T dttx T ty son 00 1 1 在式 2 3 中 若积分器的积分系数为 则在一个开关周期内的平 s T1 ty 均值与无关 只关联于参考信号 由上述可知 可对占空比进行这种调 tx ref V 试的控制器 就是单周控制器 因此 单周控制器是把非线性开关转换成线性开 关 是一种非线性控制技术 图 2 2 为恒频单周控制器原理图 对积分时间也就是调制占空比的调制从而 使控制器输入变量平均值在一个周期内始终跟随参考值 如图 2 2 若开关 S 由 固定频率时钟脉冲开通 RS 触发器 Q 端输出高电平 控制开关闭合 电容两端开 关断开 积分器对输入信号进行积分 一旦积分值达到参考信号值 RS 触发器立 即复位 这时 RS 触发器 Q 端输出低电平 控制开关断开 积分器复位 下一个周 期积分进入准备阶段 其占空比参见公式 2 1 驱动信号 时钟发生器 积分器 比较器 rst m V ref V clock S R Q Q PWM S tY tX t Clock s T PWM on T tY m V rst tx ref V ref V t t t t 图 2 2 恒频单周期控制原理图及波形图 设图 2 2 中器件均为理想器件 时钟源周期 每个周期开始阶RCTs 段 S 由 RS 触发闭合 积分器开始积分 当积分值 时 比较器翻转 RS m V ref V 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 8 复位 S 断开 积分器复位 复位瞬间值为 m V 式 2 4 ref T s T m Vdttx T dttx RC V onon 00 1 1 一个开关周期内输出信号平均值 ty 式 2 5 ref T s avg Vdttx T ty on 0 1 由上式可知 图 2 2 所示电路可控制在一个开关周期内使 由 refavg Vty 此实现单周期控制的基本思想 开关输出信号平均值暂态过程在一个开关周期内 可完成输入信号的扰动 因为输入信号存在内阻 在负载的扰动下 开关输出信 号幅值也存在扰动 在一个开关周期内可完成开关输出信号平均值的暂态过程 2 2 单周期控制的控制机理 单周期控制在 Buck 电路中应用的控制原理图如图 2 3 控制器复位端 积分器 S in V L C 0 V refsV T d V 图 2 3 Buck 电路的单周控制框图 电路进入稳定状态 S 闭合时 二极管两端电压为 S 断开时 二极管两 in V 端电压为 0 所以 二极管两端电压可表示 Buck 电路开关函数 在一个开关周期 内 控制二极管两端电压 使其平均值与参考电压值相等 从而改变 S 的占空比 d 实现控制输出电压 由此可得 Buck 电路单周期控制的控制机理 式 2 6 dVdtVTdtVTV in dT ds T dsref ss 00 11 在 Buck 中 输入与输出是完全解耦的 故在单周期控制应用后 其输出等 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 9 效电路图如图 2 4 所示 据电路等效原理 输出电压与负载 R 两端电压相等 0 V 由电路原理可得 式 2 7 Ls sCR sCR V sCR sCR V ref 1 1 0 化简得 式 2 8 2 0 1LCssRL V V ref 由上式可得 Buck 电路输出电压与参考电压值成线性函数关系 ref V L R C 0 V 图 2 4 Buck 电路的等效输出电路 单周期控制在 Boost 电路中的应用原理图如图 2 5 电路进入稳定状态 S 闭合时 二极管两端电压为 S 断开时 二极管两端电压为 0 与 Buck 相 in VV 0 似 Boost 电路的开关函数同样可由二极管两端电压表示 即 在一个开关周期内 控制二极管两端电压 使其平均值与参考电压值相等 从而改变 S 的占空比 d 实现控制输出电压 与 Buck 电路相比 Boost 电路中二极管的参考与实际不同 故其控制规则为 式 2 9 dVdtV T VV s dT d s inref0 0 1 时钟脉冲 QQ RS in V d V CR 0 V sinref TVV S 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 10 图 2 5 Boost 电路的单周控制框图 单周期控制在 Cuk 电路中的应用如图 2 6 S 闭合时 二极管两端电压与输 入滤波电容两端电压值相等 S 断开时 二极管两端电压为 0 故 Cuk 电路控 1 C 制机理为 式 2 10 dVdtV T V c dT d s ref s 1 0 1 时钟脉冲 控制器 in V 0 V 2 C R 0 V srefT V 1 C C 比较器 积分器 S 图 2 6 Cuk 电路的单周控制框图 单周期控制在 Buck Boost 电路中的应用如图 2 7 同样 S 闭合时 二极管 两端电压与输入电压和输出电压之和相等 S 断开时 二极管两端电压为 0 则 其控制机理为 式 2 11 dVVdtV T V in dT d s ref s 1 0 0 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 11 时钟脉冲 in V d V C R 0 V srefT V CR S QQ s 图 2 7 Buck Boost 电路的单周控制框图 其他类型变换器的控制规则大同小异 由此类推即可 在此不一一举例了 由上述可知 用这种非线性控制方法 使每个开关周期中开关变量平均值严格等 于或正比于控制参考量 也就是所谓的单周期控制 这种控制方法是以假设电路 处于准稳态为前提的 故也叫做准稳态控制 2 3 单周控制与 PWM 控制方法的比较 近年来 单周期控制的应用迅速取代了传统的 PWM 控制方式 但在其发展过 程中 与 PWM 控制方法相比较 存在着其固有优势 亦有不足之处 固有优势 传统 PWM 控制通过减小误差实现线性调节占空比 也就是说 电 源电压突变时 有误差出现才能对占空比进行调节 一般情况下 都会经过几个 开关周期 那么输出会出现一个瞬时过冲 然后达到稳态 在电源电压突变时 验证开关变量平均值和参考值间响应速度 结果表明 单周期控制抗电源扰动能 力强 动态响应速度快 经过对单周期控制与 PWM 控制的比较 结果证明 单周 期控制跟踪瞬态变化动态响应更快 波形质量更好 几乎无谐波成分存在 参考 值与输出值之间的延迟更小 也能克服 PWM 控制方法的一些固有缺陷 故单周期 控制通用性更强 抗干扰能力也强 不足之处 硬件设计方面 单周期控制的算法需要快速积分器 而 PWM 控制 则不需要 PWM 控制显得更简单 与 PWM 控制方法相比 单周期控制的控制方法 不是直接控制输出量 而是间接的控制开关变量 在间接控制过程中 存在一些 寄生参数 从而存在稳态误差 以上不足之处 需要对算法进行改进 才能克服 攀枝花学院本科毕业设计 论文 2 单周期控制技 术 12 本章首先分析阐述了单周期控制理论的基本原理 然后通过对分别 Buck 电 路 Boost 电路 Cuk 电路 Buck Boost 电路的应用的分析 分别得出了几种电 路下单周期控制的控制机理 最后分析比较了单周期控制与 PWM 控制的优缺点 肯定了单周期控制在电力电子中的应用的不可取代性 攀枝花学院本科毕业设计 论文 3 单周期控制在功率因数校正中的应 用 13 3 单周期控制在功率因数校正中的应用 随着工业技术的快速发展 电力电子变换装置投入生产应用越来越广泛 AC DC变换过程是一般变换器系统的前提 但AC DC变换器是直接与二极管桥式整 流器相连 使输入电流高谐波而失真 故功率因数偏低 由于负载容量过大 畸 变电流波形使整个电力线系统不稳定 更甚者导致电力系统崩溃 综上所述 功 率因数校正 PFC 技术已经成为当今电力电子领域的热点研究 在Boost电路的 研究中 发现其具有结构简单 输入电流纹波小等优点 所以 基于Boost电路 的PFC技术研究和应用得到相关人员的青睐 又因为单周期控制技术的快动态响 应 开关频率的恒定 鲁棒性强及易于实现等优点 再加上单周期控制技术本身 就是具有调制和控制双重性的不需乘法器的控制方法 在稳态和暂态下都可保持 受控量平均值等于或正比于控制参考信号 使得单周期控制技术在PFC方面的应 用备受瞩目 3 1 单周期控制单相 Boost PFC 工作原理 Q Q RS 电压调节器 RS触发器 参考电压 误差信号 复位开关 时钟发生器 比较器 积分器 0 V R s R S int C C g V m V m V DL sg Ri 图 3 1 单周控制单相 Boost PFC 电路原理图 单周期控制单相 Boost PFC 电路原理图如图 3 1 由图可知 输入侧有电感 攀枝花学院本科毕业设计 论文 3 单周期控制在功率因数校正中的应 用 14 L 其作用是 减少输入电流纹波 同时可防止电网对主电路高频瞬态冲击 此 为 PFC 系统中最常见的拓扑之一 而单管 Boost 电路为单相 Boost PFC 电路中最 广泛的拓扑 为了更好阐述图 3 1 所示原理 先做以下假设 电路工作于 CCM 模式 输入频率远小于开关频率 电路达到稳态后 输入电压 输入电流和输出电压在 几个开关周期内保持不变 设电路无损耗 即电路效率 100 在如图 3 1 所示 Boost 电路进入稳态时 由电路原理可得 式 3 1 dV V g 1 1 0 式 3 1 中 Vg 输入电压 输出电压 d 占空比 由上式变 0 V 换方程可得 式 3 2 0 1 V V T T d g s on 式 3 2 中 开关周期 一个开关周期内开关管导通时间 由 s T on T 单周期控制原理可得 式 3 3 sgm s on m RiV T T V 式 3 3 中 电压调节输出电压 电感电流 电感采 m V g i s R 样电阻 满足前述假设 则在几个相邻开关周期内 不变 在一个输入电 g V m V 压周期为定值 若假设 式 3 4 0 V R R V e s m 联立方程式 3 3 3 4 可得 式 3 5 e g g R i V 式 3 5 中 输入阻抗是一定值 也就是说此电路的输入阻抗是纯阻性 e R 的 那么此电路可实现功率因数校正 3 2 单周期控制单相 Boost PFC 控制回路设计 在对单周期控制单相 Boost PFC 电路工作原理的分析中 由式 3 4 变换 方程得 式 3 6 m se V V RR 0 式 3 6 中 当与成比例时 在一个开关周期内输入阻抗保持不变 0 V m V e R 由此达到减少输出纹波对输入电流畸变的影响 在图 3 1 中 是电压环输出 m V 攀枝花学院本科毕业设计 论文 3 单周期控制在功率因数校正中的应 用 15 若想使和成比例 则可设计一电压环误差放大器 此电压环可采用 PI 调节 0 V m V 器 如图 3 2 电压调节器 ref V 0 V tVm 图 3 2 电压环控制框图 在图 3 2 中 由自动控制原理得 PI 调节器的传递函数为 式 3 7 s k ksA i pv 如图 3 2 所示 PI 调节器 其输入是基准电压与输出电压的差值 输出电压 由瞬态分量和稳态分量构成 其稳态分量用来保证输出电压跟踪基准电 m V tvm 压 现假设此 PI 调节器的输出方程为 式 3 8 tvVtV mmm 若要分析 Boost PFC 电路中输出电压上的纹波电压 先做以下假设 此电 路无损耗 即效率 100 输出电流直流分量全部流过负载 输出电流交流 分量全部流过电容 输出电压的纹波足够小 定义输出电压 输入电压 0 tv 输入电流 则有 tvg tig 式 3 9 000 tvVtv 式 3 10 tVtv ing sin2 式 3 11 tIti gg sin2 由上述假设可得 输入功率与输出功率相等 则有 式 3 12 2cos1 2cos1 0 tPtIVp ininin 式 3 13 0000 2cos1 ViptP 由假设输出电流分量全部流过电容 结合式 3 13 得 式 3 14 t V P tic 2cos 0 0 结合上式 可计算得到输出电压纹波也就是电容纹波电压 为 式 3 15 t CV P tv 2sin 2 0 0 0 将式 3 15 代入电压环的 PI 调节器中 可得电压环交流项输出 即 攀枝花学院本科毕业设计 论文 3 单周期控制在功率因数校正中的应 用 16 式 3 16 2cos 2 1 2 sin 2 0 0 t k k t CV P ktv p i pm 式 3 16 中 PI 调节器的零点 设置 PI 调节器零点 是零点 pi kk 远低于 即 2 式 3 17 2 p i k k 联立方程式 3 4 3 16 和 3 17 可得 式 3 18 00 tvkV R R tv p e s m 若设定 PI 调节器的比例系数如下 式 3 19 e s p R R k 再对式 3 18 进行简化 得 式 3 20 0 00 tvktvVktv ppm 在 PI 调节器设计时 结合 3 17 和 3 19 两约束条件 得和成比 0 V m V 例 由此保证在一个周期内输入阻抗不变 也就减少了输出电压纹波对输入电流 畸变的影响 本章对单周期控制单相Boost PFC电路的基本原理进行了详细的分析 得到 了电路工作在CCM状态下的相关公式 对单周期控制单相Boost PFC控制回路进行 了简单的参数分析设计 在后面章节中 会给出单周期控制单相Boost PFC的 MATLAB仿真 对本章所叙述内容进行相关验证 攀枝花学院本科毕业设计 论文 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应 用 17 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应用 现今社会 随着各行各业技术的不断发展 大到交流电动机 小到交流负载 都需要逆变器的供电 就连直流电源变换系统中也涉及到逆变器 同时 现代设 备对电能质量要求的增长 使电网提供的原始电能再也不能满足其增长要求 那 么 这些原始电能需要经过变换之后才能让这些设备运行 而在这些变换环节中 通常会使用到逆变器 另一方面 随着新能源的开发 逆变器已成为其重要环节 综上所述 逆变器的应用已非常广泛 在全桥逆变电路中 单相全桥逆变电路是 应用最为广泛的 由于单周期控制技术是通过对占空比控制 实现在一个开关周 期内是控制开关变量的平均值与参考值成比例或相等 所以 本章着重研究单相 全桥逆变器的单周期控制技术 4 1 单周期控制单相全桥逆变器的原理 in V d V 0 V 0 i C L i 1v 2v 3v 4v 图 4 1 单相全桥逆变器主电路图 单相全桥逆变器的主电路如图 4 1 其中 桥臂输出电压 电 d VLi 感电流 输出电压 输出电流 在分析图 4 1 之前 先做以下假设 0 V 0 i 所有器件均理想 忽略其死区 输出电压频率远小于开关频率 输入电压 和输出电压在几个相邻开关周期内保持不变 in V 0 V 攀枝花学院本科毕业设计 论文 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应 用 18 主电路 L C滤波电路 电压环单周期控制器 oref V dref V PWM d V 0 V 图 4 2 全桥逆变器单周期控制框图 据单周期控制基本原理 由图 4 1 可得 在每个开关周期内需控制的平均 d V 值 使其等于输出电压的给定值 这样才能让输出电压很好地跟踪参考电压 0 V 在采用模拟控制时 利用积分复位电路来对这一功能进行实现 要使系统性能得 以很好的改善 加入一电压调节器即可 如图 4 2 为系统的整体控制框图 其中 输出电压给定 电压环输出 oref V dref V 在日常生活中 一般将单周期控制器分为两种形式 单极性控制方法 双极 性控制方法 以将作出对两种控制方法的分析 4 2 双极性控制模式 Q Q R S RS触发器 时钟发生器 比较器 C dref V d V 1S 2S3S 4S R 运算放 大器 图 4 3 双极性控制模式 图 4 3 为双极性控制模式 由一运算放大器组合而成的可复位积分器 一比 较器 一 RS 触发器和一时钟发生器构成了一个结构较为简单的控制电路 经过 实践分析 虽然双极性控制模式操作比较简单 可是它在负载较轻的时候 容易 攀枝花学院本科毕业设计 论文 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应 用 19 出现直流偏移 双极性控制模式的工作原理如下 首先定义参数 u 式 4 1 OFFSSONSS ONSSOFFSS u 3 2 4 1 0 3 2 4 1 1 在如图 4 1 所示全桥逆变器主电路中 由电路原理 得输出侧方程为 式 4 2 R V dt dV Ci VV dt d L L d iL 00 0 由的定义得 将其代入方程式 4 2 可得 u ind uVV 式 4 3 in uVV dt dV R L dt Vd LC 0 0 2 0 2 在一个开关周期内 控制积分控制器让的平均值与值相同 平均化处 d V oref V 理方程 4 3 可得 式 4 4 din VuVV dt Vd R L dt Vd LC 0 0 2 0 2 如图 4 2 所示 电压环采用的是 PID 调节器 其传递函数可表示为 式 4 5 0 0 00 dt VVd kVVkVVkV oref dorefiorefpdref 对式 4 5 进行平均化处理 可得 式 4 6 0 0 00 dt Vd kVVkVkV dorefipdref 经以上分析 先联立方程式 4 4 4 6 再对其求取微分 可得 式 4 7 orefiipd VkVk dt Vd k dt Vd k R L dt Vd LC 0 0 2 0 2 3 0 3 1 由式 4 7 可得 对 PID 调节器参数的合理选取 可以确保输出电压严格 的跟踪到参考电压 由图 4 1 单相全桥逆变器主电路图和图 4 2 全桥逆变器单周 期控制框图可得 要想使逆变器对输入电压扰动做出快速响应 则需对桥臂中点 电压采样引入输入电压前馈控制 d V 4 3 双极性控制模式数字控制算法的实现 攀枝花学院本科毕业设计 论文 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应 用 20 PID调节器 积分器输出 RS触发器复位信号 驱动信号 图 4 4 双极性控制模式单周控制器调制波形 双极性控制模式单周期控制器调制波形如图 4 4 由图可知 调制器积分量 是桥臂中点电压值 参考量是 PID 调节器输出 则有 式 4 8 ddref dVV 采用数字控制时 可用一 PWM 中断在中断计算中计算出 PID 调节相关参数 公式 4 8 中 d 为占空比 可对其进行计算并不断更新 4 4 单极性控制模式 Q Q R S 时钟发生器 比较器 C dref V d V 1S 2S 3S 4S R 逻辑 A 逻辑 B FF A1 A2 比较器 B1 B2 Y1 Y2 图 4 5 单极性控制模式 图 4 5 为单极性控制模式 其主电路由两个工作在高频状态 两个工作在工 频状态的开关管组成 其目的是减少开关损耗的同时提高开关效率 并且当正负 半周工作在对称情况时可消除直流偏置 单极性模式由这两个比较复杂的逻辑电 路构成 这样可以解决过零点的误差问题 据的定义可得到 其工作u ind uVV 攀枝花学院本科毕业设计 论文 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应 用 21 原理分析与双极性控制模式相同 给出逻辑电路结构如下图所示 其控制逻辑 A B 分析如下 首先定义参数 1 u 2 uu 式 4 9 ONSOFFS OFFSONS u 2 11 2 11 1 式 4 10 ONSOFFS OFFSONS u 4 31 4 31 2 式 4 11 2 1 12 uuu in V 3S 4S d V 0 V L i L C R 图 4 6 S1 闭合 S2 断开时电路逻辑图 in V 3S 4S d V 0 V L i L C R 攀枝花学院本科毕业设计 论文 4 单周期控制技术在全桥逆变器中的应 用 22 图 4 7 S1 断开 S2 闭合电路逻辑图 图 4 6 为当时 S1 闭合 S2 断开的电路逻辑图 此时若 A1 0 则对0 dref V 积分 那么 S4 闭合 S3 断开 所以 B1 1 Y2 0 此时 A2 B2 1 表 d V0 Q 4 1 为时的逻辑关系表 图 4 7 是当时 S1 断开 S2 闭合的电路0 dref V0 dref V 逻辑图 分析可知 是对负值积分 故当 A1 1 时进行积分 此时 S4 断开 S3 闭合 得如表 4 1 所示逻辑图 表 4 1 逻辑关系表 A10110 A21100 Y10101 B11010 B21100 Y20110 S3 S4 0 dref V 时 A2 B2 1 S1 闭合 S2 断开 S4 闭合S3 闭合 0 dref V 时 A2 B2 0 S1 断开 S2 闭合 S3 闭合S4 闭合 表 4 2 最小项表达式 A0011 B0101 0 BAm 1000 1 BAm 0100 2 BAm 0010 3 BAm 0001 表 4 3 逻辑 A 和逻辑 B 真值表 A10011 A20101逻辑 A Y11001 B10011 B20101逻辑 B Y20110 由表 4 3 据最小项表达式原则得 逻辑 A 逻辑 B 表达式 式 4 12 2121 3 0 1AAAAmM 式 4 13 2121 2 1 2BBBBmM 本章主要对单周期控制单相全桥逆变器的基本原理进行了简要的分析 对单 周期控制单相逆变器的双极性和单极性模式的两种控制方法进行了参数分析 对 单极性模式还进行了逻辑分析判断 在后面的章节中 会给出双极性和单极性两 种控制方法在 MATLAB 里的仿真 对上述所得结论进行分析验证 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 23 5 电力电子电路的仿真 电力电子器件开关在电力电子电路中是非线性的 这使其繁杂且难于分析 要想得到正确的线路研究结果 一般采用分析波形法或者对非线性进行微分 使 其得到线性化处理 随着计算机技术的不断发展与开发 一种分析电力电子电路 和系统的仿真软件已成为学习的必要手段 它可以让较为繁琐的电力电子电路和 系统变得更容易分析 且得出的结果比传统方法更为精确 所谓仿真 即在给定的虚拟平台上 根据系统所给定数据库 用数学模型替 换物理系统的器件 构成相应电路 迄今为止 随着仿真软件就算程序的模块化 已有相当量的数字仿真语言及相应软件投入到研究者研究和学生的学习中 MATLAB 软件即为上述仿真软件中的一种 它是一种编程软件 可利用汇编语 言对相应系统进行编程 得出相应结果 它同时也是一种绘图仿真软件 其中的 Simulink 平台可实现对物理器件的数字化 然后得出相应的仿真结果 MATLAB 中的电力电子器件主要是宏模型 反应的是器件的外特性 在本文的仿真应用中 主要就应用 Simulink 仿真平台 5 1 MATLAB Simulink 仿真平台 所谓 MATLAB 即矩阵实验室 Matrix Laboratory 是一种通过矩阵得出相 应程序的计算机语言 是一种科学的计算软件 在 MATLAB 发展初期 主要是解 决一系列复杂的数学计算问题 后来慢慢扩展到绘图等功能 由于其较简单易学 运算能力强大 绘图方便 用户还可自行扩展 故 MATLAB 软件现已普及到多个 研究学习中 在 MATLAB 逐渐的发展完善过程中 拓展开发了 Simulink 的仿真平台和系统 的仿真模型库 即在模型库中可找出相应模型代替电路模型的相关模块 对电路 或系统进行一系列的仿真 然后得出结果的过程 这是一个高级的计算仿真平台 在电力系统 电力电子 信号分析和自动控制原理等方面都非常实用 Simulink 在作为这些电路或系统的仿真平台 具有的特点有 解除编写程序的困难和繁琐 通过模型库中相应模块代替物理模块 进行电路或系统的轻松连接 在具备完整 的输入 输出 组成系统的本身模块的条件下 通过对相关模块和仿真参数的参 数设置 就可以轻松的得出所需要结果 在仿真开始时 仿真电路或系统初始化 物理模型转变为数学模型 建立相应数学方程 自动计算在给定激励下的仿真数 据 示波器属于输出模块 试验中 大多数情况下都是用示波器反应的相关波形 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 24 和曲线来得出相应的仿真结果 且由于系统部存在误差 比普通试验效果更佳 在保存仿真数据时 一般会选择 xx mat 形式 在仿真过程中 若有电路不完整 仿真计算出的结果不收敛等情况 软件会给出相应的错误提示 Simulink 在框图 形式模型仿真的基础上开发了十种模型库 Simulink 窗口界面是这十种模型库公 共平台 可进行电力 控制 通信等系统的建模和仿真 Simulink 的仿真步骤 打开 MATLAB 软件 点击图标打开 Simulink 窗口 参照需仿真的电路或 系统 新建一仿真平台 在模型库中找出与电路或系统相符的模块移至仿真平台 然后依次连接 完成仿真系统框图 在这个仿真模型中 最少应该有一个源模块 和一个输出模块 参照给定的仿真电路或系统 计算出相应模块的参数 仿真系统框图完成 后 双击相应模块 会弹出该模块参数对话框 将计算出的参数值赋予相应模块 然后确定退出 模块参数设置完成 在对已完成的仿真模型进行仿真之前 点击 Simulink Simulation Simulation Parameters 弹出仿真参数设置对话框 对仿真参数即仿真的步长 时间 算法等进行相应设置 在进行完步骤 之后 点击 Simulink Simulation Start 对电 路或系统进行仿真 仿真计算进程会在下方窗口状态栏里 若仿真存在多个变量 比如需改变模块参数才能完成整个仿真时 点击 Simulation Pause 暂停仿真 然后对相应参数再设置 再开始仿真就可以了 要终止仿真 点击 Simulation Stop 即可 仿真计算进程完毕后 会得出相应仿真结果 仿真结果一般是以波形出现 当然也存在其他形式 本论文主要以波形为主 要得到相应波形的仿真结果 用 到的观测仪器就是示波器 Scope 5 2 示波器的使用和数据保存 在 5 1 节中提到 Simulink 最后仿真结果的表示形式主要是波形 在模型库 里最普遍的可以用来表示波形的仪器就是示波器 示波器在仿真过程中 既可以 现出相关波形 也可以保存相应数据 下面对示波器进行简要介绍 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 25 图 5 1 示波器画面 点击 Simulink Commonly Used Blocks Scope 将其拉至空白文档 双击 此模块 弹出如图 5 1 所示示波器画面 如图 5 1 坐标框图是电路或系统波形或 曲线显示区域 上方的工具按钮可对示波器进行相应设置 单击工具栏上示波器 参数按钮 弹出如图 5 2 所示参数设置对话框 图 5 2 a 即 General 页 Number of axes 设定示波器 X Y 坐标数量 示波器输入信号端口数 预置 值为 1 可观测一路信号 以此类推 Time range 设定示波器时间轴最 大值 一般选 auto Tick labels 选择标签贴放位置 Sampling 选中取 样方式 当 Decimation 取 2 时 为每 2 个数据取其一 为 4 时 则为 4 取 1 设置数字越大 波形越粗糙 数据存储空间减小 Floating scope 浮 动示波器 无输入接口 只能接受其他模块发送的数据 a 示波器设置第一页 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 26 b 示波器设置第二页 图 5 2 示波器参数设置 图 5 2 b 即 Data history 页 Limit data points to last 数据点数 预置值为 5000 显示 5000 个数据 多出的弃前保后 不选择此项则可保留全部 数据 Save data to workspace 将数据放入工作间 是仿真结果保存 可用 MATLAB 绘图命令处理 亦可用其他绘图软件 Variable name 给要保存的数 据命名 方便识别调用 Format 数据保存格式 常用 Array 格式保存变量 方便 MATLAB 重画命令 时间也许同时保存 需调用 Sources 模型库的 Clock 与 示波器连接 这是 Save data to workspace 将时间作为一变量同时保存 如图 5 3 所示 图 5 3 时间的保存 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 27 5 3 Simulink 模块库 完整仿真模型的构成 必须有输入 输出 器件模块 将这些基本模块对应 电路或系统的物理器件 构成基本仿真电路或系统 然后对其仿真得出相应结果 这样使 MATLAB 仿真比编程更为简单快捷 在设计电力电子电路模型时 需要对 相关模块进行熟悉认知 图 5 4 为 Simulink 窗口 Simulink 模块库是相当庞大 的 单击图标弹出 Simulink 模块库的一部分如图 5 5 所示 窗口左部树状目 录为各部分模块库名称 分类库里存在二级子模块库有些甚至有三级子模块库 仿真所需模块几乎都可以在此模块库中找到 有些模块是通过系统封装得到的 图 5 6 是打开 Simulink 连续系统子模块窗口的一部分 随着 Simulink 版本的不 断更新 模块库的内容也在不断增加 Simulink 模块库进行安装时 也可以自行 选择安装内容 图 5 4 Simulink 窗口 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 28 图 5 5 模块库浏览器窗口其一 图 5 6 模块库浏览器窗口其二 5 4 单周期控制单相 Boost PFC 仿真 现采用 MATLAB 中的 Simulink7 0 对单周期控制的单相 Boost PFC 电路进行 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 29 仿真 其仿真框图如图 5 7 a 单周控制单相 Boost PFC MATLAB 仿真框图 b OCC 电路板仿真框图 图 5 7 单周控制单相 Boost PFC MATLAB 仿真框图 由图 5 7 所示 主电路 Main 是由图 3 1 封装而成 据图 3 1 选择模块 AC Voltage Source 二极管 D Diode L R C g V s R int C 3Phase RLC Series Load 复位开关 S IGBT 积分器 比较器 攀枝花学院本科毕业设计 论文 5 电力电子电路的仿 真 30 Subtract 时钟发生器 Clock 参考电压 Constant 电压调节器 Subsystem RS 触发器 S R Flip Flop Sum 将上述模块按图 3 1 连接 再 通过 Create System 将系统封装 得到图 5 7 a 所示中的 Main 模块 据图 5 7 b 选择模块 U1 U2 In1 In2 0 Constant 1 s Integrator K Gain Trigger Based Linearization RS S R Flip Flop Drive Out 100KHz Pulse Generator Switch Subtract Relay Memory 将上述模块按图 5 7 b 连接 再通过 Crea