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课程设计指导书(光伏) 电机控制模块课程设计指导书 一、目的 1、巩固电机控制课程的理论知识。 2、学习和掌握中电力电子系统控制系统设计的基本方法，设计一个光伏并网装置； 3、养学生独立分析和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的基本技能； 4、提高编写技术文件和制图的技能。 二、任务对光伏并网装置的理论进行研究，设计一台样机，参数为容量为100VA，电压稳定度96%，失真度小于5%，效率60%。 三、设计内容1.研究光伏并网装置的理论，并进行仿真；2.了解光伏并网装置的算法，软件设计编程及调试；3相应的硬件电路设计和调试。 四、系统原理 1、系统组成框图电网电压采样驱动DSP图1系统组成框图系统主电路、采样调理电路、控制电路、光电隔离驱动电路和保护电路组成，系统组成框图如图1所示。 2、系统主电路电网图2主电路系统组成框图系统主电路是典型的DC-AC逆变电路，由逆变电路和滤波电路构成。 逆变电路将直流电逆变为45Hz的三相正弦交流电并并网。 主电路系统组成框图如图2所示。 3、采样调理电路该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波三部分组成。 若采样电压有效值220V,可以选择LEM的LV25-P电压传感器测量电压，转换率为2500:1000由于进入DSP的信号范围为0-3V，LT308-S7的副边额定有效电流为150mA，所以选择RM=20欧姆的测量电阻。 该电压传感器原边额定有效值电流为10mA，因此原边选择R1=22k的限流电阻；副边额定有效值电流为25mA，选择RM=120欧姆的测量电阻。 偏置电路和滤波具体参数如图3所示图3电压检测调理电路 4、光电隔离驱动电路采用自保护型IGBT门极驱动厚膜集成电路HL402，配合高性能电子器件组成驱动电路。 可用于额定容量为200A/1200V或400A/600V的IGBT功率器件的直接门极驱动。 自身具有降栅压、软关断的双重保护功能，其降栅压延迟时间、软关断斜率，均可通过外接电容器进行整定，能适应不同饱和压降的IGBT的驱动和保护。 在软关断及降栅压的同时能输出报警信号。 它的内部有带静电屏蔽的光电耦合器，用来实现与输入部分的隔离，显著提高HL402抗共模干扰的能力。 HL402对信号进行脉冲功率放大，逆变器电路中有3对IGBT，所以需要6只HL402厚膜电路去驱动。 HL402外部接线如图4所示。 图4HL402正常应用典型接线图 5、软件参考流程由于采用了DSP控制，可利用其专有的事件管理模块，产生PWM波，使编程的工作量大为减少，采用C语言与汇编语言混合编程，提高了代码的效率，通过初始化命令对各参数值的设定，实施对主电路的控制，逆变出400Hz的三相交流电。 编程采用顺序结构，调用子程序简单方便。 开始系统、EVB、AD、SPI初始化AD电量采集开中断，FOR循环等待数字PIDAD中断调用SPWM计算子程序返回图5主程序流程图5.1控制算法选择在本系统中选用数字PID控制算法，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。 数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。 因此，需要采用离散化方法。 ?+=tDIpdtteTdtteTteKtu0)() (1)()(?+=sTsTKsEsUsGDIp11)()()(PID控制器各校正环节的作用如下 (1)比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 (2)积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。 (3)微分环节反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 5.2SPWM波程序设计SPWM技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。 经过长期的发展，大致可分成电压SPWM，电流SPWM和磁通SPWM。 其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，而磁通SPWM则是从电动机角度出发的SPWM。 电压SPWM技术是通过生成的SPWM波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。 产生电压SPWM信号的方法有硬件法和软件法。 其中软件法是使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成SPWM波。 但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。 DSP无疑是能满足这一要求的最理想的控制器。 电压SPWM信号实时计算需要数学模型。 建立数学模型的方法很多，有谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及由它们派生出的各种方法。 对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波周期只采样一次，因此所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍然存在较大的误差。 如果既在三角波的顶点对称轴采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周期采样两次，这样所形成的阶梯波的逼近程度会大大提高。 由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对称，因此称其为不对称规则采样法。 与规则采样法相比每个载波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。 由于采用了内存大运算速度高的DSP，软件控制算法选用不对称规则采样法。 不对称规则采样法生成SPWM波如图6所示由于采用不对称规则的算法，要用到正弦函数、浮点数的计算，单独用汇编语言实现较为麻烦，同时为提高运行速度，故采用C语言与汇编混合编程实现。 图6不对称规则采样法生成SPWM波当在三角波的顶点对称轴位置t1时刻采样时，则有?+=?=aTtaTtConCoff4411当在三角波的底点位置t2时刻采样时，则有?=+=bTtbTtCoffCon4422将三角形相似关系式?=SMCSMCUtUT4bUtUT4a22sinsin代入上面两个式子得()()()()?=+=+=?=22221111sin14sin14Tsin14Tsin14tMttMttMTttMTtCoffConConCoff生成SPWM波的脉宽为()?+=+=2121sinsin212ttMTtttCononon由于每个载波周期采样两次，所以()()?=?=12,5,3,1222,4,2,02T21NkktNkkTtCC?()()?=?=12,5,3,122222,4,2,02T222211NkNkkffttNkNkkTffttCC?()()?=?+1=?=?+1=12,5,3,1sin422,4,2,0sin421NkNkMTtNkNkMTtConCon?式中k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时底点采样。 不对称规则采样法的数学模型尽管略微复杂一些，但由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐波分量的幅值更小，在实际中得到更多的使用。 以上是单相SPWM波生成的数学模型。 如果要生成三相SPWM波，必须使用三条正弦波和同一条三角波求交点。 三条正弦相差120度，即?+=?+=?=34sin32sinsinNkuNkuNkuABC如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时有()?+=?=?+=?+=34sin122,4,2,032sin1sin1111NkMuNkNkMuNkMuAonBonCon?底点采样时有()?+=?=?+=?+=34sin112,5,3,132sin1sin1222NkMuNkNkMuNkMuAonBonCon?+=+=+=AonAonAonBonBonBonConConConuuuuuuuuu212121图7SPWM产生流程图图8SPWM波中断程序流程图5.3交流采样测量程序设计系统中交流特征参数U、I、P、Q、cos、F的采样测量是系统设计中一个最重要的环节。 交流采样有以下3种方法: (1)交/直流变换采样方法这种采样方法将交流电流和电压Uab、Ia、Ucb、Ic先转成直流信号再送A/D转换器进行采样，通过检测电压、电流以及两者之间的相位差，再用公式计算出三相电路的有功功率P、无功功率Q、功率因数cos00ab b1ab c2P=U Icos(a-30)+U Icos(a-30)acbQ00ab1c2=U Isin(a-30)+U Isin(a-30)22Pcos=P+Q交/直流变换采样计算方法的优点是运算简单、对A/D转换器的速度要求低、运算工作量小、对处理器的速度和性能要求也高，电流电压测量的稳定性好；它的缺点是首先增加了交/直流变换环节，变换器反应速度慢（至少45周期）且精度不高（一般大于0.2级），所以这种方法测量精度差、反应速度慢。 其次，由于采用过零比较器，相位差测量比较容易受到干扰，且不易被滤除。 另外，相位差测量要占用较多的资源，使得这种方法不适合用于多路测量。 使用商化的功率模块可以避开测量相位差，但成本提高了很多。 因此这种方法只适用于要求不高的场合。 （2）均方根法根据电工学上对周期性信号有效值和平均功率的基本定义，并将其离散化可以得到N22j=111U=u(t)dtu(j)TNN22j=111I=i(t)dti(j)TNnTj j0j=011NP=u(t)i(t)dt=u iT22Q=(UI)-P为了提高精度，在连续一个周期内取N=20均匀地对交流信号Uab、Ia、Ucb、Ic采样20次，算出有效值及对应的有功功率P 1、P2和无功功率Q 1、Q2，再根据两表法的原理，计算出各种交流电的特征参数。 这种测量方法的优点是精度高、速度快。 测量的有效值和平均功率一次就可以计算出来。 其包含了基波和各次谐波的综合参数，真实地反应了被测信号的实际情况，但缺点是无法将基波和其它谐波分离开来，因此不能反映电源的供电质量。 另外为保证平均功率的精度必须在同一时刻对电压电流进行采样，而增加了部分硬件的投资。 （3）傅里叶级数法根据信号分析理论，周期函数f(t)的傅里叶级数展开式经推导、离散处理可以得出:n-1krmjj=12T2n2kjA=f(t)sinkwtdtf(T)sinnxn-1k mAjj=1222kj=f(t)cosktdtf(T)cosTnn22kmkrmkxmA=A+A式中:Akrm、Akxm、Akm分别是k次谐波的实部幅值、虚部幅值和正弦波幅值。 平衡测量精度和计算工作量，在连续一个周期的时间间隔内均匀地对交流信号Uab、Ia、Ucb、Ic进行12次采样，可以算出各信号基波的电压实部Uabrm、Ucbrm、电压虚部Uabxm和Ucbxm、电压幅值Uabm和Ucbm、电流实部Iarm和Icrm、电流虚部Iaxm和Icxm、电流幅值Iam和Icm，进而可以算出三相有效功率P、无功功率Q和功率因数cos:abxm axmabxmarmcbxm axmIcbxmarmIabm amcbmcmabm amcbmcmUI+UIU+U11P=UI+U2I2UIUI cQabxmaxmabxm armcbxmxmcbxmarmIabm amcbmcmabm amcbmcmUI+UIUI+U11=UI+U2I2UIUI22Pcos=P+Q用同样的方法可以算出其它谐波的特征参数。 从上面的计算过程可以看出，傅里叶级数法可以计算出各次谐波的各种特征参数，计算精度较高。 这对电源输出质量的分析是非常有用的。 （4）基于瞬时无功理论的检测方法建立在矢量变换基础上的瞬时无功理论是由日本学者Akagi在1984年提出的。 其核心是采用一变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时值变换到两相正交的-坐标系上研究，使基波电流对应的瞬时功率为一直流量以便分离。 该检测方法分为p-q运算方式和ip-iq运算方式。 根据以上比较，四种采样方法各有优缺点、各有适用场合。 根据目前需要分析电源输出交流电的质量，用傅里叶级数法测量交流特征参数较为适宜。 系统中用DSP（TMS320LF2407）作处理器，利用其高速的处理能力可以做到采样速度快、精度高、稳定性好、硬件投资和软件运算工作量适中。 五、设计步骤与设计说明书要求（一）设计步骤 1、了解光伏并网装置的理论。 2、光伏并网装置的理论进行仿真及方案确定。 3、熟悉DSP的工作原理及编程方法。 3.画出系统硬件电路图。 4.焊接硬件电路图。 6、相关软件程序的设计。 （二）设计说明书要求设计说明书要求方案可行，图纸规范无误，条理清楚，文笔流畅。 字数在4000左右。 六、课程设计时间安排本设计总的时间为3周，分三部分进行。 第一周理论学习及仿真（1周）。 第二周1-3硬件电路设计及调试。 第二周 4、5-第三周 1、3软件编程及总体调试。 第三周 4、5验收。 七、元器件清单1霍尔电压传感器电阻CHV_25P211K3W1%6208051%51K08058.2K080530K080527008053电容3300pF08050.01uF08050.047uF08050.15uF08050.1uF080510uF08054运放拨码开关稳压二极管二极管TL08156位63.3v71N4001 八、主要参考书1王兆安,杨君等.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版,1998,9.2王晓明.电动机的DSP控制M.北京:北京航空航天大