（信号与信息处理专业论文）磁滞电机控制电源的研究.pdf

摘要 本文提出了一种l l o v 珏舷三相逆变电源的设计方案。方案以m c s 5 1 作为控制单 元的c p u ，配以三相正弦波发生器s a 8 2 8 2 以实现电源三相正弦波的输出要求。采用数 字控制技术，使控制电源的输出电压、频率稳定可靠。智能功率模块i p m 的使用不仅 减少了系统重量而且进一步提高了逆变器的可靠性。最后对逆变器的电压闭环特性进行 了仿真，取得了较好的效果。 s p w m 技术的理论、逆变电源的输出特性是进行系统分析及理解控制策略的基础。 逆变电源的数学模型、m a t l a b 仿真模型的建立，为逆变电源的整个控制系统的理论 分析和仿真奠定了基础。 采用成熟的p i d 控制理论，提出电压瞬时值外环控制和电容电流内环控制相结合的 双闭环控制方案。其中p i d 控制器采用微分改进型p i d ，与传统p i d 控制器性能有所不 同。兼顾了控制系统的动态性能和稳态性能。系统的稳定性得到较大的改善，抗干扰能 力增强，系统的输出性能得到很大提高。 本系统的特点是：( 1 ) 采用功率模块i p m 和p w m 波形生成器s a 8 2 8 2 ，使外围电路 简单化，同时提高开关元件的可靠性。( 2 ) 采用双c p u 控制方案，一片c p u 与s a 8 2 8 2 结合控制触发脉冲及软启动；一片c p u 存储及处理故障数据。( 3 ) 闭环控制系统采用双 闭环控制方案，系统的静态和动态特性都得到了提高。( 4 ) 对磁滞电机进行三相不平衡保 护。 论文还简单分析了整体系统的控制方案，详细地描述了硬件电路和软件电路的功 能、结构及部分元器件的特性。 关键词：i p m 智能功率模块，s a 8 2 8 2 ，s p w m ，m a t l a b 仿真，数字控制技术， 谐波含量。 i i a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g no f1k h zt h r e ep h a s ep o w e rs u p p l y t h e c o n t r o lu n i to fm c s - 51s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r p r o d u c e ss p w m c o n t r o lw a v e s b y p r o g r a m m i n g t h r e ep h a s es p w ms a 8 2 8 2o nl i n e d i s c r e t e n e s sc o n t r o lt e c h n o l o g yu s e d m a k e st h ev o l t a g ea n df r e q u e n c yo fc o n v e a e rr e l i a b l e t h ep o w e rs w i t c hi p mh a st h e e q u i p m e n tn o to n l yr e d u c ei t sw e i g h t b u t ，a c h i e v et h es o u n dr e l i a b i l i t y 。a tl a s t ，v o l t a g e c l o s e d - - l o o pp r o p e r t i e so f c o n v e r t e ro u t p u ti ss i m u l a t e d ，r e s u l ti sg o o d w i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，t h eo u t p u tp e r f o r m a n c e sa n dr e l i a b i l i t yo f i n v e r t e r sa r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t e s p e c i a l l ys c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t sm a k ed i g i t a l c o n t r o lt e c h n o l o g yo fi n v e r t e r sd e v e l o p ，a n di m p r o v eo u t p u tp e r f o r m a n c e sa n dr e l i a b i l i t yo f i n v e r t e r s t h e o r i e so fs p w m t e c h n o l o g ya n do u t p u tp e c u l i a r i t yo fi n v e r t e ra r eb a s i so f u n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n gc o n t r o ls t r a t e g y f o u n do fm a t h e m a t i c sm o d e la n dm a t i _ a b s i m u l a t i o nm o d e la r eb a s i so ft h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i v ea n a l y s i so fc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h em a t u r ep i dc o n t r o lt h e o r y , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ep l a nw h i c hd o u b l e l o o p sc o n t r o li n c l u d e si n s t a n t a n e o u sv o l t a g ef e e d b a c ka n dc u r r e n tf e e d b a c k p i dc o n t r o l l e r u s e sp i dw i t hi m p r o v e dd e r i v a t i v et h a ti sd i f f e r e n tf r o mc l a s s i cp i dc o n t r o l l e r t h i sc o n t r o l p l a ni m p r o v e ss t a t i ca n da c t i v ep e r f o r m a n c e s i tm a k e ss t a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e mb e t t e ra n d a n t i - d i s t u r bs t r o n g e ra n do u t p u tp e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e mi m p r o v e t h ep a p e rh a sf o u rc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n t r o ls y s t e mu s e s i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e i p ma n dw a v eg e n e r a t o rs a 8 2 8 2 i tm a k e sa u x i l i a r yc i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e m s i m p l ea n ds t a b i l i t yo fs w i t c h e si m p r o v e i ti su s e dt h a td o u b l ec p u c o n t r o ld e s i g n ，t h ec p u c o m b i n e si n t os a 8 2 8 2t oc o n t r o lt r i g g e r i n gp u l s ea n ds o f ti n i t i a t i n g ；t h eo t h e rc p us t o r e sa n d m a n a g e sf a u l t p r o c e s s i n gd a t a t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sd o u b l ec l o s el o o po fc o n t r o ls y s t e m t h a ti m p r o v es t a t i ca n da c t i v ep e r f o r m a n c e s h y s t e r e s i sm a c h i n ei sp r o t e c t e db yt h r e ep h a s e u n b a l a n c ep r o t e c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r s i m p l ya n a l y s i st h ec o n t r o lp l a no f t h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e m ， d e s c r i e sf u n c t i o n sa n df o r m e ro ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r ec i r c u i ta n ds o m e c o m p o n e n t s k e y w o r d s ： i n v e r t e r i p m ，s a 8 2 8 2 ，s p w m ，m a t l a bs i m u l a t i o n ，d i s c r e t e n e s sc o n t r o l t e c h n o l o g y , h a r m o n i c s i i i 声明尸明 本人郑重声明：是在导师的精心指导下，独立进行研究工作所取得的 成果，撰写成硕士学位论文“磁溢鱼扭撞鱼4 皂遮数鲤宜 。除论文中已经 注明引用的内容外，对文中的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：浮劫 二00 四年九月五日 硕士毕业论文 磁滞电机控制电源的研究 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 1 1 1 课题的背景 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技 术在许多领域的应用也越来越广泛。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交 流电作为电能源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而获得各自所需要的电 能形式【1 】f 2 】f 3 】。1 k h z 磁滞电机控制电源就属于上述情况，主要用于陀螺仪控制电源。 陀螺精密三相电源的性能要求较高，体积小、重量轻、使用环境条件恶劣，设计和 制造具有一定的难度1 4 j 。例如，如果设计采用线性方案，固然输出电压波形好、相位精 度高，但发热量大、效率低、体积重量大、可靠性相对低；开关电源因其体积小、重量 轻、效率高、稳定性好以及负载安全性好等优点而获得广泛应用【5 j 【6 】。但是对开关电源 来说，电压谐波含量不大于0 5 是一个苛刻的指标，正弦脉宽调制( s p w m ) 控制方式【7 】， 输出电压的谐波含量高，波形的改善需要提高载波频率或增大输出滤波电感或电容，而 载波频率的提高受到逆变器功率器件开关速度和开关损耗的限制；输出滤波电感和电容 的增大，又与电源在体积、重量上的严格要求是相悖的。因此，如果采用开关方案，则 应选择输出电压谐波小的控制方式，同时考虑陀螺电机负载特【酬，在满足指标的前提下， 输出电压的低次谐波含量应当尽量小。 本课题对逆变电源进行数字化控制的研究。现在随着各种功能强、运算速度快的微 处理器和大规模集成电路的发展，给数字化控制的研究提供了机会，数字智能化p w m 调制技术和控制技术有了长足的发展【9 1 。 随着g t o 、g t r 、m o s f e t 等新型器件的应用，a c - - d c d c - - a c 技术得到了 新的发展，无须增设换流装置的可关断器件在变流上的应用具有划时代的意义。例如出 现了从不同角度来解决高频率开关损耗大、附加设置多、设计难度大、成本投入高和实 现复杂的不同性质负载下无差拍控制p w m 逆变器、零电压谐振逆变器和具有智能控制 的逆变器i9 1 。电子线路集成度日益提高，电子设备的体积、重量越来越小，相应地要求 跟它配套的电源必须提高功率密度才能真正实现电子设备的小型轻量化。例如在飞机上 由于交流电的电压和频率容易变换，并可以提高设备工作上限，减轻重量及机械化结构 感谢天津7 0 7 所磁滞电机专用电源项目资助 第一章绪论 而使其得到重视和发展，尤其是频率为1 k h z 、电压输出为1 1 0 v 、功率大于0 5 k v a 的 三相供电更具有绝对的优越性。 1 1 2 本课题的意义 现在，电源技术的发展使得用新型、高效的开关电源取代传统电源己成为必然【8 】【9 1 。 传统的稳压电源一般都是线性电源，这种电源效率低、体积大。随着技术的发展，开关 电源的开关频率越来越高，使得电源的小型、轻量化成为可能。电源工作在开关状态， 从原理上讲是低损耗的。本课题设计了一种新型的开关电源来取代传统电源，具有效率 高、体积小、保护完善等特点。 1 k h z 控制电源专为拖动陀螺仪的磁滞电机而设计。陀螺仪常用于惯性导航系统中， 现代惯性导航系统对所用陀螺仪提出了很高的要求，不仅要求陀螺仪测出微小角位移变 化，而且要求陀螺仪的漂移误差控制在尽可能小的范围。磁滞电机具有转矩和转速不相 关、转速稳定的特性【1 0 l 。实验表明：电源的精度和稳定度对陀螺仪的误差有很大影响， 因此，对陀螺仪中磁滞电机的三相电源提出了较高精度和稳定度的要求。 为获得波形失真度小、精确度高的三相电源，采用脉宽调制技术。脉宽调制技术通 过按一定的规律控制开关元件的通断，从而获得一组不等宽的矩形脉冲波形，用来近似 正弦波形。s a 8 2 8 2 是三相s p w m 专用芯片，载波频率高，输出谐波小，适用于i g b t 输出，能与单片机连接，完成外转控制功能，软件编程容易，使系统智能化，使单片机 有能力进行整个系统的检测、保护、控制等，从而可以提高整个系统的精度和可靠性。 所以，1 k h z 控制电源中采用s a 8 2 8 2 来提高磁滞电机电源的精度【1 1 】【1 2 1 。 1 2 国内外发展现状 电源技术对科学技术及工农业生产具有明显的促进作用，世界各国都很重视这一技 术的发展。我国的电源技术紧跟国际先进水平，近十多年来已有长足的进步，这里仅就 交流稳定电源的现状作一介绍1 1 引。 交流稳定电源是交流稳压电源、稳流电源、稳频电源和不间断电源等具有交流稳定 性能电源的总称。目前主要是指交流稳压和不间断电源两个方面【1 4 】，这是电源技术领域 中的重要分支。由于我国交流市电电源的电压波动较大、干扰较多、时有停电等情况发 生，因此交流稳压和不问断电源已成为许多电子设备不可缺少的装置。交流稳压电源的 种类较多，主要有参数调整型、自动调压型、补偿型及开关型等类型。从结构上看有单 一型和组合型；从应用上看有工程应用型和基准源型。具有稳频和稳压功能，或变频稳 2 硕上毕业论文磁滞i 乜机控制电源的研究 压功能。 1 3 课题研究的主要内容 三相1 k h z 逆变电源的方案比较与确定，即如何完成由2 2 0 v 俗0 h z 单相输入 转换为额定电压为1 1 0 v 、额定频率为1 k h z 的三相正弦波输出；系统硬件电路的设计 及相应软件的编写；合理地安排各控制电路的功能测试。 具体任务有：功率器件的选择，逆变系统电压、频率调节和稳定电路的电路分析和 设计，系统功率器件的缓冲、驱动电路设计以及系统输出电压和频率测量、保护、报警 显示电路的设计。主要解决的问题是在电路的工程实用性和较高的性价比的基础上实现 系统高质量地可靠运行。 1 4 各章内容的基本安排 本文着重讲述的是单片机m c s 5 1 系列和s p w m 产生芯片s a 8 2 8 2 相结合所产生的 三相供电电源，围绕所做的研究工作从控制方法、系统仿真、系统实现三个方面进行了 论述。 第1 章简述课题背景和研究任务以及国内外发展现状。 第2 章介绍了总体设计方案，并分析了s p w m 波形产生方法及工作原理。 第3 章讲述了系统控制策略，包括s p w m 控制策略和电压电流双环控制策略，并 应用m a t l a b 仿真软件对系统进行了仿真，给出了各种控制方法的仿真结果，验证了 控制策略的正确性。 第4 章重点介绍了为使设计的1 k h z 控制电源满足性能指标要求以及对电源和负 载的保护而采取的安全性措施。 第5 章软硬件电路的设计，硬件电路以m c s 5 1 芯片为控制器的核心，结合集成 电路芯片s a 8 2 8 2 和口m 进行控制，主要介绍了控制系统的构成、控制芯片m c s 5 1 的 外围设备、控制芯片与程序存储器的接口。提出了软件设计的方案，给出了软件设计的 程序流程图。 第6 章进行了简单的总结，提出了进一步需要完善的方面。 3 亟生些! 金室礁迸生型k 控制生遂的班荭 第二章1 k h z 磁滞电机控制电源设计方案 2 1 概述 逆变电源的各部分包括主电路、驱动电路、单片机控制电路、s p w m 波形生成电 路、保护电路、以及人机界面的显示电路。系统电气原理框图如图2 - 1 所示。 2 2 主电路结构 图2 - 1 系统电气原理框图 1 、采用单相输入、三相输出的逆变形式，其优点在于： ( 1 ) 从成本角度考虑，采用单相输入方式，主电路电压不高，不必选用高耐压器件或 采用器件串并联方式来提高耐压，从而降低了成本。 ( 2 ) 采用三相输出方式比采用单相、两相输出效率更高，更利于节能。 2 、基本工作原理如下： 单相电j 压( 2 2 0 v 5 0 h z ) 先经过变频变压，再经整流滤波后供给逆变电路( 智能功率模 块i p m ) 。i p m 在驱动信号作用下将整流滤波后的直流电变成一定电压、一定频率的交 流电，经隔离滤波后供给负载。输出电压经过取样后送给单片机处理，单片机对取样信 号经p i d 控制算法处理后输出修正后的s p w m 控制信号，使输出电压稳定在所设定的 4 第二苹l k h z 磁滞电机控制电源设计方菜 期望值上【1 5 l 。电源的基本功能有：电压和频率设定，输出电压和频率的显示，短路、过 流、欠压、过载保护等，保护指示。 3 、采用智能功率模块i p m 智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e i p m ) 是三菱电机首次推出的一种先进的 混合集成智能功率器件【1 7 1 ，它由高速、低耗的i g b t 芯片和优化的门极驱动及过流、短 路、欠压和过热保护电路构成。其突出特点有： ( 1 ) 内部采用了能连续监测功率器件电流的有电流传感功能的i g b t 芯片，实现了高 效的过流保护和短路保护。 ( 2 ) 内部集成了过热和欠压保护电路，大大降低了器件应用过程中故障情况下的损坏 机会，使系统的可靠性进一步提高。 ( 3 ) i p m 内部集成了绝缘栅双极型晶体管1 g b t 及其驱动电路，降低了用户开发产品 的难度，缩短了产品开发周期。 ( 4 ) i p m 通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器尺寸减小，因而系统的体积和 成本也得以降低。 同绝缘栅双极型晶体管i g b t 相比，智能功率模块i p m 的优势十分明显。目前国内 外的通用变频器绝大多数都己经采用i g b t 作为功率丌关器件，有些已经丌始采用i p m 以降低系统成本，减小开发难度，缩短开发周期，提高系统性能。 2 3 控制回路结构 由于负载是非线性负载，因此控制回路采用电流和电压瞬时值闭环控制，由双c p u 控制、地址产生电路及s p w m 波形生成电路、电压电流反馈信号检测电路、软启动电 路、保护电路、显示电路组成。 1 、双c p u 控制电路 一片、c p u 用以完成对状态参数的检测和控制；另一片c p u 和s a 8 2 8 2 配合使用，控 制逆变电路的工作。 2 、地址产生电路及s p w m 波形调节器电路 ( 1 ) s p w m 波形生成电路：p w m 逆变器采用正弦波作为参考信号与三角波载波相比 较而得到脉宽调制波形，这种正弦波脉宽调制逆变器称为s p w m 逆变器。 选用i p m 作为功率变换器的主开关器件，控制器采用p i d 数字控制器，功率驱动 电路的输入( 即i p m 的控制信号) 由s p w m 波形生成芯片s a 8 2 8 2 产生相应的p w m i - 一 5 亟尘生些论室丝澄! 乜型i 整剑 上邃盥虹冠 p w m 6 。 ( 2 ) 地址产生电路：地址产生电路包括晶体振荡电路和分频电路，分频电路将晶振频 率经适当分频后，产生地址信号，送至存有s p w m 波形的存储器的地址线上，从而得 到所需频率的输出电压。 3 、电压、电流反馈信号检测电路 通过分压电路和调整电路检测电压信号，通过电流互感器和相应的调整电路获得电 流检测信号。 4 、软启动电路 软启动方式与三相s p w m 产生器s a 8 2 8 2 、单片机m c s 5 1 相结合，由单片机系统 进行控制。软启动部分专门用来控制电动机的启动，改善电动机的启动性能。s a 8 2 8 2 用来控制产生i g b t 所需要的触发脉冲，以及相应的保护措施，改善电动机的运行性能。 5 、保护电路 为了防止系统故障时会损坏元器件，设置了保护电路。i p m 内部的保护装置主要是 保护电源；外部硬件保护电路主要是保护负载磁滞电机，特别是针对三相不平衡保护。 6 、显示电路 单片机m c s - 5 1 最小系统与芯片z i 9 7 2 8 9 相结合。z i 9 7 2 8 9 a 采用串行方式与单片机 通讯，其中c s 、c l k 、d i o 、k e y 四个引脚与单片机相连，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 显示电路图 6 硕j 二毕业论文磁滞电机控制电源的研究 第三章1 k h z 逆变电源控制策略及仿真 三相1 1 0 v 1 k h z 稳压恒频电源是一种高精度和高稳定频率的特殊逆变电源。根据 波形输出要求，利用s p w m 控制技术或数字正弦波集成电路的变频系统，采用电压电 流p i d 闭环控制策略以满足系统输出电压和频率的调节范围较大、精度好以及负载适应 性强等技术指标。 3 1 正弦脉宽调制( s p w m ) 模式 3 1 1s p w m 的形成 正弦脉宽调带i j ( s p w m ) 波形，是一种与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲。 如图3 1 所示【1 4 】。等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n 等份， 然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来 代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合。这样，由 n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与j 下弦波的半周等效，称作s p w m 波形。 s p w m 波形按极性可分为单极性和双极性。单极式s p w m 波形由逆变器上桥臂中一个 功率丌关器件反复导通和关断形成。其等效正弦波为u 。s i n 。t ) ，而s p w m 脉冲序列 波的幅值为u 。，各脉冲中心间距相同，都等于万n ，以为正弦波半个周期内的脉冲数。 令第i 个矩形脉冲的宽度为6i ，其中心点相位角为0 i ，则根据面积相等的等效原则，可 写成： 6 i u d - u m r 麓s i 吣t d ( e o 。t ) 一u 。 c o s ( 0 j - a t 2 n ) 一c o s ( 0 f + 翔r 2 n ) 】( 3 - 1 ) l i bu 。s i n ( ：e 2 n ) s i n0 i 当n 的数值较大时，s i n ( x 2 n ) _ 用r 2 n ，于是 等s i n 佛 ， 这就是说，第i 个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比。 7 ，l 图3 - 1 正弦脉宽调伟t j ( s p w m ) 波形 3 1 2s p w m 数字控制方法 s p w m 信号产生方法有：( 1 ) 采用微机存储预先计算好的s p w m 数据表格，控制时 根据指令调出，或者通过软件实时生成；( 2 ) 采用大规模集成电路专用芯片。常用s p w m 数字控制方法有：等效面积算法、自然采样法、规则采样法等。1 k h z 控制电源系统采 用s p w m 规则采样法。 图3 2 所示为一种规则采样法。在三角载波每一周期的负峰值时找到j 下弦调制波上 的对应点，即图中c 点，采样电压为u ”。在三角载波上由u m 水平线截得a 、b 两点， 即为s p w m 波形中脉冲的生成时刻，a 、b 区间就是脉宽时间t 2 。这时，由于a 、b 两 点坐落在正弦调制波的两侧，因此，减少了脉宽生成误差，所得的s p w m 波形就更加 准确。从图3 2 可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算 法。只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差可忽略不计。在 规则采样法中，由于三角载波每个周期的采样时刻都确定在负峰值处，因而脉宽时间和 间歇时间都可以很容易计算出来。计算公式如下： 下 脉宽时间：f 2 = 等0 + ms i n t o l f 。) 二 1 间歇时间：f l = f 3 去( t - t 2 ) 8 硕 毕业论文磁滞电机控制t 乜源的研究 么 a 托cb j ，一一 、 “一一 t 2l皇 t c r t i - q l 一 n r 恃c 、n 1 ，l , x t rd t t - 士丽i l 耐士坚汁 在数字控制中用计算机实时产生s p w m 波形讵是基于上述的采样原理和计算公 式。一般分为查表法和实时计算法。( 1 ) 查表法：在通用计算机上算出相应的脉宽t 2 和 ( 1 + ms i nc o ，t ，) 耳2 后写入e p r o m ，然后由微机通过查表和加减运算求出各项脉宽时 间和间歇时间。( 2 ) 实时计算法：在内存中存储征弦函数和t ( 2 值，控制时先取出正弦 值与所需要的调制度m 作乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的t ( 2 值，与 0 + m s i nc o ，t 。) 作乘法运算，然后运用加、减、移位即可算出脉宽时间t 2 和间歇时间t l 、 t 3 。按查表法或实时计算法所得的脉冲数据都送入定时器，利用定时中断向接口电路送 出相应的高、低电平，以实时产生s p w m 波形的一系列脉冲。 3 1 3 三相正弦波脉宽调制器 集调压调频与一体的s a 8 2 8 2 系列s p w m 调制器，可产生全数字化的p w m 波形， 具有较高的精度和温度稳定性，而且易于与多种微处理器连接。因而，用s a 8 2 8 2 构成 的逆变器具有集成度高和易实现其智能化的特点。 s a 8 2 8 2 产生器生成的脉宽调制波形是对内部芯片r o m 中的三角波进行双缘调制 的波形，与方波正弦波调制方法基本相同，是一种理想的谐波调制波形。采用s a 8 2 8 2 正弦波形发生器控制信号电路不仅易于实现多种功能的扩展而且谐波含量低，可方便地 构成三相电压闭环控制系统。 1 k h z 逆变电源的双缘调制p w m 波控制信号要求载波频率不能超过功率器件的最 大开关频率，且开或断最短时间要大于功率器件的死区时间。 9 蓥三重! 墼丝遵变! 垒煎量型董堕丛笾墓 3 2 电压、电流双闭环控制策略 l l o v 1 k h z 恒压恒频逆变电源的控制技术对其输出性能至关重要，可通过引入输出 电压、电流的瞬时值反馈控制来解决非线性负载带来的扰动、抑制谐波。为了提高其性 能，设计数字控制电路时主要考虑以下几个要求： ( 1 ) 提高系统的动态、静态性能，减小系统的动态响应时间。 ( 2 ) 减小输出电压波形的畸变率，尤其是负载磁滞电机的波形畸变率。 ( 3 ) 易于在线调整，控制系统具有很好的故障诊断及容错能力。 ( 4 ) 提高系统过载能力和抵抗负载的冲击能力。 ( 5 ) 控制系统应有很好的故障保护功能，增加其智能化程度。 逆变电源的瞬时值电压反馈的数字控制，可以采用重复控制、无差拍控制、变滑模 结构控制或数字p i d 控制。但重复控制虽然可以得到较好的稳态性能及输出波形质量， 但其动态性能比较差：无差拍控制对于系统参数的变换和负载的变化比较敏感；滑模变 结构控制的稳态性能也是不够理想；而采用数字p i d 控制容易兼顾控制系统的稳念性能 和动态性能。 3 2 1 数字p i d 控制算法 p i d 调节是p r o p o r t i o n a l ( = l 例) 、i n t e g r a l ( 积分) 、d i f f e r e n t i a l ( 微分) 三者的缩写，是连 续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。调节实质是根据输入输出的差值， 按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以输出控制。在实际应用中，根 据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变p i d 的结构，取其中的一部分环节构成控 制规律。 一、数字p i d 控制原理 1 、p i d 控制规律的离散化 连续控制系统中，模拟器最常用的控制规律是p i d 控制，其控制规律形式如下： 喇咯阶) + 瓤p ( t 为l t + t o 警】( 3 - 3 ) p ( f ) 给定量与输出量的偏差； 比( f ) 输出函数； k 。比例系数； 正积分时间常数； 1 0 堡主兰些丝茎壁堂皇型! 丝型! 垒塑堕堕圣 微分时间常数。 因为式( 3 - 3 ) 表示的调节器的输a i 垂i 数及输出函数均为模拟量，所以单片机无法对其 进行直接运算。为此，必须将连续形式的微分方程转换为离散形式的差分方程。 取t 为采样周期，k 为采样序号，k = 0 ，1 ，2 i ，k ，因采样周期t 相对于信号 变化周期是很小的，这样可以用矩形法算面积，用后向差分法代替微分，即 r 2 善啦 d e ( t ) e ( 七) 一e ( 七一1 ) 出。4 一z 一 于是式( 3 3 ) n - i 写成： “( 七) - k p 【e ( 七) + ； 塞巳z + l ! 鱼掣】 ( 3 - 4 ) 式中： p ) 采样时刻k 时的偏差值； e ( k 一1 ) 采样时刻k - 1 时的偏差值； “( 七) 采样时刻k 时的输出值； 式( 3 - 4 ) 中的输出量“ ) 为全量输出，对应于被控制对象的执行机构每次采样时刻应 达到的位置。因此，式( 3 4 ) 称为p i d 位置控制算式。即p i d 控制规律的离散化形式。 但按式( 3 4 ) 计算u ( k ) 时，输出值与过去所有状态有关，计算时要占用大量的内存和花费 大量的时间。为此，将式( 3 4 ) 化为递推形式。 根据式( 3 4 ) 写出采样时刻 一1 ) 的输出值： “( 七一1 ) = k p 【e ( 七一1 ) + j 羹p ，丁+ z d ! 生二二掣】 ( 3 5 ) 用式( 3 - 4 ) 减去式( 3 5 ) ，经整理后得： “( k ) - u 一1 ) + k p 扣 ) 一p 一1 ) + 手e ) + 争【e ) 一知 一1 ) + e 一2 ) 】) ( 3 - 6 ) 按式( 3 6 ) 计算时刻k 时的输出量“ ) ，只需要采样时刻k 的偏差e ) ，以及向前递 推一次及两次的偏差值e ( k 一1 ) 、p 一2 ) 和向前递推一次的输出值u ( k 一1 ) 。显然可以大 量地节约内存和计算时间。 为防止计算机出现故障时输出量的大幅度变化，可采用增量型控制，即输出量是两 苤三至! k 丛兰鎏变! 塾盟丝劁重堕丛笾基 个采样周期之间的值，控制器的输出量血伙) 由式( 3 - 6 ) n - i 得： “( 七) 一“( 七) - u ( k - 1 ) 一k p 忙 ) 一p 一1 ) + 吾p ) + 争k ( 七) 一2 p 一1 ) + p ( 七一2 ) 】 ( 3 - 7 ) 式( 3 7 ) 称为p i d 增量控制算式。式( 3 5 ) 和式( 3 7 ) 在本质上是一样的。但增量式算式 单片机只输出增量，即执行机构位置的变化部分，误动作小。 2 、p i d 控制规律的脉冲传递函数形式 在连续控制系统中的模拟调节器，常以传递函数的形式来表示。若将( 3 4 ) 进行z 变换，由于 z 【比( 七) 】一u ( z ) z e ( k ) 】= e 0 ) z e ( i k - 1 ) 】= z 。1 e ( z ) z 【磊e o ) 卜专酢) 故式( 3 - 4 ) 可写成如下形式： 酢) = k e 专酢) + 扣- z - 1 e ( z ) 】) 于是，可得到p i d 控制规律的脉冲函数形式 d ( z ) = 鬻喝【1 + 南粤- 1 ) 】 ( 3 - 8 ) 从式( 3 8 ) 中，可还得到其他类型的数字控制器脉冲传递函数的形式： 当五_ ，t o 一0 时，d ( z ) - - k p ，为比例数字控制器传递函数形式。 k p ( 1 + ) 一k p z 以 当= o ，d ( z ) = _ 啬厂，为比例积分数字控制器传递函数形式。 当乃一时，d o ) = k p ( 1 + 等) 一k 尸等z 一，为比例微分数字控制器传递函数形式。 工 本系统采用带微分项改进的p i d 调节器正是基于此理论。 3 、p i d 数字控制器的实现 控制电机运动的单片机要求很强的实时性，用单片机作为数字控制器时，由于其字 长和运算速度的限制1 1 9 】，所以必须采用一些方法来加快计算速度。常用的方法有：简化 算式法、查表法、硬件乘法器等。下面仅对简化算式法进行介绍： 1 2 竺! ：兰些堡苎丝翌! 堡型! 堡型! 呈塑堕坐型 按照( 3 4 ) 算式，单片机每输出比伙) 一次，要作四次加法，两次减法，四次乘法和两 次除法。若将该式稍加合并整理可写成如下的形式： u ( k ) l i r a “( 七一1 ) + 口o e ( 七) 一口1 p ( 七一1 ) + 口2 p ( 七一2 )( 3 - 9 ) ”k p ( 1 专+ 式中，口。- k p 0 + 一2 t o 妒k 专 这些系数可离线算出，于是按式( 3 9 ) 进行计算，单片机每输出一次u ( k ) ，只素作三 次乘法，两次加法，一次减法。数字控制器程序框图如图3 3 所示。 1r 取给定值、反馈值形成偏差 作【口2 e ( k 一2 ) 一口l e ( k 一1 ) + 口o e ( k ) 1 l 1 l 取a oe ) 作乘法 作 【口2 e ( k 一2 ) 一口1 e ( k 一1 ) + 口o e ( k ) + u ( k - 1 ) 上 上 取口l 、e ( k 一1 ) 作乘法 输出“( 七) l 上 上 取口2 、e ( k 一2 ) 作乘法 数据传送“ ) 呻u ( k 一1 ) 土i 作口2 e ( k 一2 ) 减q e ( k - 1 )u ( k ) 一u ( k - 1 ) + a o e ( k ) 一a l e ( k - 1 ) + o t 2 e ( k 一2 ) 上 上 图3 3 数字控制器程序框图 3 3 建立模型 根据上述控制策略，利用m a t l a b 仿真软件来创建仿真模型，并验证控制策略的 合理性。使用环境为m a t l a b 中的s i m u l i n k 。首先创建数学模型，再转换为仿真模 型，然后编制控制系统仿真程序，最后进行仿真实验并输出仿真结果。 建立数学模型，根据闭环控制系统的特点，可分为电压瞬时值控制系统数学模型、 微分改进型电压瞬时值控制系统数学模型、电压电流双环控制系统数学模型。 1 3 箍三童! k 堂堂变! 垫夔丝剑筮堕丛笾基 建立仿真模型，根据所使用的元器件来确定。包括整流器、逆变器、滤波器、电动 机负载、s p w m 波形发生器。并编写相应的仿真程序，包括单位阶跃响应曲线、b o d e 图和性能指标。 3 3 1 仿真模型 应用仿真软件m a t l a b ，建立本系统的仿真模型。系统仿真模型如图3 7 所示。 包括整流器仿真模型、逆变器仿真模型和p w m 波形发生器仿真模型，如图3 4 以6 。 图3 4 整流器仿真模犁 图3 - 5 逆变器仿真模型 1 4 硕f ：毕业论文磁滞电机控制电源的研究 图3 - 6p w m 波形发生器仿真模型 b r i d 口e1 d 其中，b r i d g e l y 和b r i d g e l d 结构完全一致，结构图如下图所示。 p h , i 1 5 ec 图3 - 6 ( a ) b r i d g e l y ( b r i d g e l d ) 仿真模型 其中p h a s e a 的结构同p h a s eb 、p h a s ec 一致，结构图如下图所示。 图3 - 6 ( b ) p h a s ea ( p h a s eb 、p h a s ec ) 仿真模型 1 5 笙三童! 丝堂变! 垫逝笪剑筮堕丛笾塞 o 、 j a 霎璧 古 。 暑 岫洲 j v 图3 7 系统仿真模型 1 6 4 0 d e g ) 。 2 1 笙三重! k 丛兰垄变坐遁垃剑筮堕壁笾塞 s 【e pr e s p o n s e b o d ed i a g r a m c , m = i n fd b ( 乱i n fr a d ，s e c ) 。p m = 2 1d e g ( 乱6 9 7 e + 0 0 3r a d ，s e c ) 0 4 5 9 0 1 3 5 1 8 厂j t i m e ( s e c ) f r e q u e n c y ( r a d ，s e c ) ( a ) 单位阶跃响应曲线( b ) 幅频相频特性曲线 图3 1 8 不引入p i d 控制器 2 ) 引入p i d 控制器 t i m e ( m s ) ( a ) 单位阶跃响应曲线 b o d ed i a g r a m 1 0 图3 1 9 引入p i d 控制器 o = 2 0 9 1 2 1 t 。= 6 2 9 4 5 m se 鲻= 0 0 0 1 3 g m = i i l fp m = 7 8 4 6 3 4 f r e q u e n c y ( r a a s e c ) ( b ) 幅频相频特性曲线 一口一d3c西匹z 舢d3兰q戛 adv仍c也 。口nll|d盂 硕士毕业论文磁滞咆舸l 羚制电源的研究 分析：( 1 ) 从超调量0 的大小可判断该系统稳定，但调节时间t 。较大。说明同一系统的 稳定性和快速性彼此有限制。 ( 2 ) 从相稳定裕度p m 可判断该系统稳定。 5 、结论 通过仿真分析可知，在p i d 控制中，积分的引入会导致相位滞后，容易导致系统不 稳定，所以，积分作用应尽量减小。在控制系统中，微分作用对于改善系统的动态性能 有一定的好处，但对于稳态性能有负面作用，应尽量选择合适的值。比例作用也是有限 的，过大会直接导致系统不稳定，或者系统的暂态性能较差。 三、改进微分项的电压瞬时值控制系统 1 、微分项的改进 通过仿真波形对模拟p i d 参数的分析可知，应尽量较少积分项的作用，适当选择微 分项的值，同时调整比例项的大小，以便得到较好的控制性能。 微分作用有助于减小系统的超调，克服振荡，使得系统趋于稳定，同时加快系统的 响应速度，缩短调整时间，有利于改善系统的动态性能。但是微分作用对于数据的误差 和噪声特别敏感，一旦出现干扰，通过微分项很容易引起控制量的很大变化，从而导致 调节过程的振荡，调节品质下降。由于开关器件的存在，逆变电源中的各种干扰式不可 避免的，所以在逆变电源的含有微分环节的数字p i d 控制中，微分项对控制的影响是主 要影响之一。 1 ) 微分改进原理 对于阶跃输入信号，由于标准数字p i d 控制器中的叩 微分作用仅在第一个采样周期起作用，然后即变为零， 如图3 2 0 脉冲1 所示。而模拟p i d 控制器中的微分作用 则会在长时间内起作用，然后变为零。如图3 2 0 曲线2 所示。可见标准数字p i d 控制器的性能要比模拟p i d 控 制器的性能差；而且在偏差较大的瞬间，标准数字p i d 控制器输出量将会很大，造成输出溢出。 t3 t5 t 图3 2 0 微分作用的比较 不完全微分数字p i d 控制器可以解决上面的问题，可将一个一阶惯性环节直接加在 微分环节上。其表达式为： 删= 鬻吨+ 争+ 面k a s ( 3 - 1 6 ) 签三垂! 缒丝堂变! 乜逐筮剑筮堕丛笾基 式中，口 1 ，当口_ 0 时，这样的微分运算将趋近于其理论值。 可见，不完全微分数字p i d 控制器的控制品质将会有较大的改善，因为惯性环节的加 入，微分作用能够缓慢地持续多个周期，且具有数字滤波的功能，所以抗干扰作用也较 强。图3 1 7 给出了标准数字p i d 控制器和不完全微分数字p i d 控制器的阶跃