[硕士论文精品]基于fpga的pwm整流控制器研究

摘要随着电力电子交流技术的不断发展，各种先进的控制技术层出不穷。控制器也从过去的模拟电路时代逐渐进入到全数字控制时代。但是MCU，DSP等通用控制器本身串行程序流工作模式的限制，在实现复杂算法时往往难以满足系统要求的快速性与实时性的要求，FPGA的出现为解决这个问题提供了一个新的方向。本文首先对三相PWM整流器系统进行了研究。在查阅大量国内外文献资料的基础上，对整流器及其控制器的国内外发展现状及研究趋势做了详细的研究，并对课题研究的意义有了更深入的认识。接下来对三相电压型整流器的拓扑结构、数学模型、整流器的控制技术进行了分析。文中所采用的滞环电流控制算法具有结构简单，电流响应速度快，不依赖系统参数，系统鲁棒性好的特点。运用MATLAB仿真软件，对该控制方法进行了仿真。然后对FPGA的发展历程、应用、分类、开发工具、语言等内容进行了介绍。最后对滞环控制算法进行了模块划分，将其划分为PI算法模块，限幅与指令电流生成模块，滞环比较模块，PWM脉冲生成及死区保护模块，AD控制及数据储存模块，并在QUARTUSII软件环境下，使用VHDL语言通过编程实现模块化设计。实践证明，采用FPGA来实现PWM整流器控制算法是可行的。关键词FPGA滞环控制PWM控制ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICS，EACHKINDOFADVANCEDCONTROLTECHNOLOGYEMERGESONEAFTERANOTHERINCESSANTLYWHILETHECONTROLLERALSOGRADUALLYENTEREDFROMTHEPASTANALOGOUSCIRCUITTOTHEDIGITALCONTR01BUTMCUDSPANDSOMEOTHERUNIVERSALCONTROLLERSARELIMITEDBYTHEIRSERIALPROCEDUREFLOWWORKINGPATTERN；ITISDIFFICULTTOSATISFYTHEREQUESTOFSYSTEMINRAPIDITYANDREALTIMEWHENRUNINGTHECOMPLEXALGORITHMTHEAPPEARANCEOFFPGAPROVIDESANEWDIRECTIONTOSOLVETHISPROBLEMFIRSTLY,THISPAPERRESEARCHESONTHETHREEPHASEPWMRECTIFIERSYSTEMBASEDONCONSULTINGABUNDANCELITERATUREINANDABROAD，ITSDEVELOPMENTALDIRECTIONOFRECTIFIERANDITSTHISTHESISDISCUSSEDTHEDEVELOPINGSTATEANDCONTROLLERINDETAIL，ANDGETSMOREKNOWLEDGEABOUTTHESIGNIFICANCEOFTHISRESEARCHTHENISTUDYONTHEVOLTAGERECTIFIERSMATHEMATICALMODEL，TOPOLOGYANDTHECONTROLMETHODTHEHYSTERETICCONTROLALGORITHMPRESENTSINTHISPAPERWHICHHASTHESIMPLESTRUCTURE，HIGHSPEEDRESPONSEOFELECTRICCURRENT，RELYONTHESYSTEMPARAMETERLESSANDGOODSYSTEMROBUSTCHARACTERISTICFIRST，THERESEARCHSIMULATESTHISCONTROLMETHODWITHMATLABANDTHENINTRODUCESTHEFPGASDEVELOPMENTCOURSE，APPLICATION，CLASSIFICATION，DEVELOPMENTKIT，LANGUAGEANDSOONFINALLY,HYSTERETICCONTROLALGORITHMISDISPARTEDTOMODULESWHICHHAVEDIFFERENTFUNCTION，INCLUDEPIALGORITHMMODULE，LIMITANDSPECIFYCURRENTPRODUCEMODULE，HYSTERETICCOMPAREMODULE，PWMPULSEANDDEADBANDPRODUCEMODULE，ADCONTROLANDDATASTORAGEMODULE，ANDTHENDESIGNEDTOREALIZETHEMODULATIONUNDERQUARTUSIISOFTWAREENVIRONMENTWITHVHDLLANGUAGETHEPRACTICEPROVESTHATUSEINGFPGATOREALIZETHEPWMRECTIFIERCONTROLALGORITHMISFEASIBLEKEYWORDSFPGAHYSTERESISCONTROL，PWMCONTROL独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗墨墨盘望或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名张瓶签字日期怠妒8年岁月乡日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁盗堡墨盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁盗墨墨盘望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。保密的学位论文在解密后适用本授权说明，学位论文作者签名烈R成导师签名签字日期文。口G年弓月；日签字日期DS年A月3日第一章绪论11电力电子技术的发展状况第一章绪论电力电子技术【12I是以功率处理、电能变换为主要对象的现代工业电子技术，是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一门技术性学科，一般包括电力半导体器件、变流电路和控制技术三个部分。它的典型特点是强电与弱电相结合，以弱电控制强电，用以实现电能的转换、控制、分配和应用的最优化、高效率、智能化。近些年来，电力电子技术取得了飞速的发展，电力电子装置的性能日趋完善，这使得电力电子装置的应用范围也从传统的工业、交通、电力等部门扩大到信息及通信、家用电器等各个领域。可见，电力电子技术已成为一门非常重要的基础技术，是目前电工学科中最活跃的一个分支。近年来各种电力半导体器件不断涌现，性能不断提高，容量也不断增大。目前电力电子器件正朝着高频化、耐高压、大电流和集成化的方向进一步发展。集成化的电路设计能够满足电源智能化、微型化、模块化和易维修的特点。电力电子器件的迅速发展，也给驱动及控制技术带来了更高的性能要求。以PWM控制为代表的数字化控制技术的发展和在电力电子技术领域的广泛应用也使得电力电子技术产生了脱胎换骨的变化。同时，高性能的控制芯片的不断涌现，也促进了数字化控制技术的进一步发展。”12PWM整流器概述随着电力电子技术的发展，电力电子变流技术也得以迅速发展，出现了以脉宽调制PWM控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”13,41。治理这种电网“污染最根本的措施就是要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并展开了大量的研究工作。其主要思路是将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。第一章绪论PWM整流对电网不产生谐波污染，因而是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。经过几十年的研究和发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级。121PWM整流器研究概况PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟与应用，推动了PWM技术的研究与应用13,41。1982年BUSSEALFRED、HOLTZJOACHIM首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年AKAGJHIROFUMI等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着AWGREEN等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了一个新的高度15,6,71。自20世纪90年代以来，PWM整流器的研究主要集中在以下几个方面1PWM整流器的建模与分析；2电压型PWM整流器的电流控制；3主电路拓扑结构研究；4系统控制策略研究；5电流型PWM整流器研究。122PWM整流器分类随着整流技术的发展，已设计出多种整流器，可分类如下1按直流储能形式分类电压型、电流型2按电网相数分类单相电路、三相电路、多相电路3按开关调制分类硬开关调制、软开关调制4按桥路结构分类半桥电路、全桥电路5按调制电平分类二电平电路、三电平电路、多电平电路尽管分类方法多种多样，但最基本的分类就是将整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型整流器，无论在主电路结构以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者问存在电路上的对偶性。1221电压型整流器拓扑结构电压型整流器最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性，以下介绍几种常见的拓扑结构第一章绪论1单相半桥、全桥电压型整流器拓扑结构A单相半桥整流器拓扑结构B单相全桥整流器拓扑结构图11单相电压型整流器拓扑结构图11分别示出了电压型整流器单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流侧具有相同的电路结构，其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波。由图11A可看出，单相半桥电压型整流器拓扑只有一个桥臂采用了功率开关，另一桥臂则由两电容串联组成，同时串联电容又兼作直流侧储能电容；而单相全桥电压型整流器拓扑结构如图11B所示，它采用了具有4个功率开关的“H”桥结构。值得注意的是电压型整流器主电路功率开关必须反并联一个续流二极管以缓冲整流器工作时的无功电能。比较两者，显然半桥电路具有较简单的主电路结构，且功率开关数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低，常用于低成本、小功率应用场合。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥电路以及单相全桥电路获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关耐压要求相对提高。另外，为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引入电容均压控制，可见单相半桥电压型整流器的控制相对复杂。2三相半桥、全桥电压型整流器拓扑第一章绪论A三相半桥电压型整流器拓扑结构B三相全桥电压型整流器拓扑结构图12三相电压型整流器拓扑结构图12分别给出了电压型整流器三相半桥和三相全桥主电路拓扑结构。如图12A为三相半桥电压型整流器拓扑结构。其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用六只功率开关，这是一种最常见的三相整流器，通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。三相半桥电压型整流器较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将恶化，甚至使其发生故障。为克服这一不足可采用三相全桥设计，其拓扑结构如图12B所示。其特点是公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥电压型整流器，并通过变压器连接至三相四线制电网。因此，三相全桥电压型整流器实际上是由三个独立的单相全桥电压型整流器组合而成，当电网不平衡时，不会严重影响整流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功率开关管是三相半桥电路的一倍，因而三相全桥电路般较少采用。第一章绪论3以上所述的电压型整流器拓扑结构属常规的二电平拓扑结构。三电平整流器应用于大功率场合，其发展使高压大容量FACTS装置进一步走向实用化阶段。电路常采用中点箝位型结构，在相同开关频率下，交流侧电流畸变率低于两电平整流器。三电平电路所需功率开关与二电平电路相比成倍增加，并且控制也相对复杂，这是这种电路的不足之处。1222电流型整流器拓扑结构电流型整流器拓扑结构最显著特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使电流型整流器直流侧呈高阻抗的电流源特性。常用的电流型整流器拓扑结构有单相、三相两种，如图13所示。A单相电流型整流器拓扑结构RLB三相电流型整流器拓扑结构图13电流型整流器拓扑结构IH图13A为单相电流型整流器拓扑结构，除直流储能电感以外，与单相电压型整流器相比，其交流侧增加了一个滤波电容，其作用与网侧电感一起组成LC滤波器，以滤除网侧谐波电流，并抑制交流侧谐波电压。另外，一般需要在电流型整流器功率开关支路上顺向串联二极管，其主要目的是阻断反向电流因为一般大功率开关管大都集成有反并联二极管，并提高功率开关管的耐反压能力。图13B为三相电流型整流器拓扑结构，显然，这是一个半桥电路，其交流侧是一无中线的三相对称LC滤波电路；直流侧与单相电流型整流器直流侧相同，即采用电感进行第一章绪论储能。电流型整流器输出电感体积、重量、损耗较大，主电路构成不方便，且通态损耗比较大。且电压型整流器相对于电流型整流器有较快的响应速度。因此电流型整流器应用并不广泛。123PWM整流器的应用在中大功率场合特别是需要能量双向传递的场合中，PWM整流电路具有非常广泛的应用前景。IGBT等新型电力半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大地促进了PWM整流电路的发展，并使之进入了实用化阶段，已经应用于许多领域，如静止无功补偿SVG、有源电力滤波APF、统一潮流控制UPFC、超导储能SMES、高压直流输电HVDC、电气传动ED、新型UPS以及太阳能、风能等再生能源的并网发电等，现分别简述如下。1有源电力滤波APF及无功补偿SVG并联型有源电力滤波器网侧实际上可以看成一个等效的可控电流源，它产生一个与被补偿量谐波电流及无功电流的量值相等，且相位相反的补偿电流，并注入电网，这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流，以达到有源滤波及无功补偿的目的。2统一潮流控制器UPFCUPFC用于输电电网，主要起控制有功潮流和吞吐无功功率的作用。它主要由串联变流器和并联变流器组成，其串联变流器通过变压器向电网引入一个幅值可变、相位可任意调解的电压源，从而能对线路的有功和无功功率进行控制；而并联变流器通过变压器向电网引入个幅值可变、相位可任意调解的电流源，从而具有快速吞吐无功功率的能力。3超导磁能存储SMES超导磁能存储主要用于电网的调峰控制以及其他需要短时补偿电能的场合。在电网用电量正常时，电网中的电能通过变流装置的超导线圈存储足够的能量，而当用电量很大时，超导线圈中的能量则通过变流装置向电网馈能，从而达到调峰的目的F8L。4四象限交流电动机驱动系统将PWM整流器取代传统电动机驱动系统中的二极管整流器，不仅可实现交流电动机的四象限运行，以及网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可使直流侧获得足够高且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。5太阳能、风能等可再生能源的并网发电太阳能光伏并网发电系统由太阳电池以及PWM整流器组成，PWM整流器经过最大功率点寻优控制将太阳电池电能并入电网，并实现网侧单位功率因数正弦波控制。风力发电机的并网发电系统采用交一直一交型风力发电机发电系统。其中，风力发电机侧的PWM整流控制风力发电机运行，且输出电流为正弦波，从而提高风力发电机的运行效率。同时，通过发电机转矩的调节，以满足风力机的最大功率点运行；而网侧的PWM整流器则完成向电网的馈电控制，并实现网侧单位功率因数正弦波电流控制。第一章绪论13整流器控制器发展概况随着整流器技术的不断进步和整流应用领域的不断扩展，特别是在一些特殊的应用领域，所期望的PWM整流器的开关频率和调制精度越来越高。而目前的实现器件单片机、DSP等受其流水线运行模式的限制，输出波形速度较慢，不能满足快速驱动和控制的场合，精度也较差；使用更高精度的芯片虽可提高精度，但增加了系统成本，占用大量资源，芯片的功能也并不能充分发挥，无法实现系统其他功能。而采用多芯片系统，显然不太方便。同时，用模拟和数字芯片实现PWM所需要的器件多，连线复杂，调试困难，可靠性和稳定性差，而且不易改进，难于增加新功能，很难同时兼顾提高调制频率和调制精度的双重要求，使其实时性受到很大的限制。例如，若在PWM整流器上实现空间矢量或滑模控制等复杂控制算法，即便是采用DSP，基于串行程序流所实现的PWM脉冲也很难同时满足速度和精度的要求。近年来高集成度高复杂度可编程芯片如FPGA和CPLD的出现，为高精度高开关频率的PWM整流器数字化实现提供了可能。本文正是在这样的背景下展开了对三相电压型PWM整流器FPGA数字化控制实现问题的研究，力图在解决方法的有效性、可行性方面进行一些有意义的工作。14专用集成电路ASIC发展及分类当今社会是数字化社会，数字集成电路的应用非常广泛。集成电路自1959年在美国得州仪器和西屋电气公司诞生以来，以惊人的速度发展。第一块集成电路上只有四个晶体管，而目前集成电路可以在一片硅片上集成几千万，甚至上亿只晶体管。集成电路的发展经历了小规模ICSSI，中规模ICMSI，大规模ICLSI，超大规模ICVLSI，特大规模ICULSI和超位集成电路GSI的不同阶段。其规模几乎平均每1“2年翻一翻。集成电路的工艺也发展到深亚微米。目前130纳米和90纳米已开始进入大规模生产。65纳米生产技术也己经完成开发，具备了大生产的条件。在另一个关键技术互连技术上，铜互连己在130,90纳米技术代中使用，与此同时，集成电路的性能高集成度，高速度，低功耗也迅速提高。目前其速度已可达到GHZ水平。集成电路的发展大大促进了EDA的发展，先进的EDA己从传统的自下而上的设计方法改变为自上而下的设计方法。ASIC专用集成电路是专门为某一应用领域或某一专门用户需要而设计制造的LSI或VLSI电路，具有体积小、重量轻、功耗低、高可靠性和高保密性等优点。ASIC的设计制造，已不在完全由半导体厂商独立承担，系统设计师在实验室就可以设计出合适的ASIC芯片，并且投入到实际应用之中，这都得益于可编程逻辑器件PLD的出现。而现场可编程门阵列FPGA就是目前应用最广泛的PLD器件之。ASIC的分类如图14所示【9J第一章绪论数字ASLC模拄2ASIC全定制I广一半定制卜L线性阵列IL模拟标准单元门阵列II标准单元IJPLD简单低密度PLD复杂高密度PLDPROMEPROMIEEPROMLPLALIPALLLGALLEPLDFPGACPLD图14ASIC的分类数字ASIC是ASIC的一个重要分支，它又分为全定制和半定制两类1全定制ASIC全定制ASIC的各层掩摸都是按特定电路功能专门设计制造的，设计人员从晶体管的版图尺寸、位置和互联线开始设计，以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优化性能。设计全定制ASIC不仅要求设计者具有丰富的半导体材料和工艺技术知识，还要具有完整的系统和电路设计经验。全定制的设计费用高，周期长，比较适合用于大批量的ASIC产品。2半定制ASIC半定制ASIC是一种约束型设计方法，它是在芯片上制作好一些通用性的单元元件和元件组的半成品硬件，用户仅仅需要考虑电路逻辑功能和各功能模块之间的合理连接即可。这种设计方法灵活方便，性价比高，缩短了设计周期，提高了成品率。半定制ASIC包括门阵列、标准单元和可编程器件三种。可编程逻辑器件又是数字ASIC的一个重要分支，是厂家作为一种通用性器件生产的半定制电路，用户可以通过对器件编程实现所需要的逻辑功能。而其中的FPGA现场可编程门阵列，其配置数据存储于片外的EPROM或计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件逻辑功能，实现所谓的现场编程。它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且高可靠性，风险小。因此使得FPGA作为半定制ASIC的载体得到普遍应用，发展非常迅速。第一章绪论15课题的研究意义目前的数字化整流控制器多采用MCU，DSP，以软件实现控制算法。这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能。但随着功率器件开关频率的提高以及数字控制算法的日趋复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，在算法的实时性和高速性上存在缺陷。采用并联系统又会增加成本，使控制器结构复杂，不利于编程实现，同时也会降低其可靠性。FPGA的出现为这个问题的解决提供了一个新的方向。可编程门阵列FPGA可以方便地实现多次修改。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。大规模的FPGA则可以让我们将微处理器、专用硬件算法单元，专用波形发生单元、信号采集处理单元等都集成于单芯片上，使之成为一个完整的电力电子控制系统。应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制系统结构，并可实现多种专用高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的数字系统相比，它用硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。在集成度、速度和系统功能方面满足应用需要。16本课题的主要研究内容本课题主要对基于FPGA的整流控制器进行了研究，所采用的滞环电流控制算法具有结构简单，电流响应速度快，不依赖系统参数，鲁棒性好的特点。在QUARTUSII软件环境下对滞环控制算法进行了模块划分，并使用VHDL语言完成对各模块的设计。实践证明，采用FPGA来实现PWM整流器控制算法是可行的。论文内容如下1在查阅大量国内外文献资料的基础上，对课题研究的意义有了更深入的认识，对整流器及其控制器的国内外发展现状及研究趋势做了详细的研究。2对三相电压型整流器的数学模型、整流器的控制技术进行了介绍，最后重点分析滞环电流控制算法原理，并对此算法进行了仿真。3介绍了FPGA器件的背景资料。FPGA开发工具、编程语言VHDL和开发流程。4对滞环算法进行了功能模块划分，将其划分为PI算法模块，限幅与指令电流生成模块，滞环比较模块，PWM脉冲生成及死区保护模块，AD控制及数据储存模块，并分别进行了详细说明，最后给出了在QUARTUSII环境中得到的仿真图形。第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真三相电压型整流器系统的数学模型是分析和设计该类系统的基础。本章分析了整流器系统的数学模型，并在此基础上进行了滞环算法的仿真。21三相电压型整流器数学模型I和IL啼图21三相电压型整流器主电路拓扑结构图三相电压型整流器数学模型就是根据三相电压型整流器拓扑结构，在三相静止坐标系A，B，C中，利用电路基本定律基尔霍夫电压、电流定律对三相电压型整流器所建立的一般数学描述。该数学模型在以下假设条件下建立1电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势EO，EB，巳。2网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和。3功率开关管损耗以电阻R表示，即实际的功率开关管可由理想开关与损耗电阻尺。串联等效表示。4为描述整流器能量的双向传输，整流器直流侧负载由电阻碍和直流电动势EL串联表示。根据三相电压型整流器特性分析需要，其一般数学模型的建立可采用以下两种形式1采用开关函数描述的一般数学模型。2采用占空比描述的一般数学模型。第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真采用开关函数描述的一般数学模型是对整流器开关过程的精确描述，较适合于整流器的波形仿真，因此本文所述的整流器系统仿真是采用开关函数描述的数学模型。下面以三相整流器拓扑结构为例，建立采用开关函数描述的一般数学模型。为分析方便，首先定义单极性二值逻辑开关函数为驴10编燃嘛法11上桥臂关断，下桥臂导通将整流器的功率开关管损耗等效电阻B同交流滤波电感等效电阻吃合并，且令RB吃，采用基尔霍夫电压定律建立三相整流器A相回路方程为哮埘。一巳一。22当圪导通而K关断时，A1，且一；当屹关断而圪7导通时，开关函数S。0，且O。由于S。，式22改写为哮删。一VDCSAVNO同理，可得B相、C相方程如下工警啦一气一。如SBVXO哮啦叱一VDCSC4VNO根据假设条件，系统是三相对称的，则ENEBEC40I4IBIC|0联立式23式26，得直流侧电流屯可描述为VNO一等。娶4一。SI出。IAS4O扫屯ICSC232425262728第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得C警屯秘A一半9，联立式23式29得出，在三相静止对称坐标系A，B，C中，三相整流器开关函数模型为C鲁一。PT一屯L_D_I_A，LDRIKEK_VA,卜；1，荟耋0沼。磊。娶却式中为单极性二值逻辑开关函数KA，B，C；屯为整流器直流侧负载电流。将电感电流和电容电压作为状态变量XF口T】R，则图21所示三相电压型整流器系统数学模型的状态空间表达式为式中AZXAX4BER。一屯一；。互，。瓯0一R000一RS4SBSCZ1R211212213、1，、V毫F毫1313一一，FL_、，LLL一，一一DDOCDDLDDLDDLDD秒第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真BJDDDO1OOOO1ODDD三RE1EAEBECELR214215由上述状态空间表达式可知三相电压型整流器系统是带有开关函数的、强耦合的、非线性时变系统。22三相电压型整流器控制技术控制技术是PWM整流器发展的关键。从控制方法角度讲，三相电压型整流器系统的控制方法主要有两大类10J间接电流控制INDIRECTCURRENTCONTROL又称相位幅值控制和直接电流控制DIRECTCURRENTCONTR01。问接电流控制系统采用数学计算的方法实现电流环的作用，具有电路简单的特点，但也存在动态响应慢等缺点，在实时性较高的场合不宜采用间接电流控制。而直接电流控制通过对交流电流的直接控制而使实际电流跟踪指令电流，使系统具有较快的响应速度。而电流控制是许多控制系统的核心部分，它的性能即可决定整个系统的性能，尤其对于高性能的系统在负载有扰动和参考值变化的情况下更需要电流控制器有快的瞬态响应和满意的稳态特性。所以，国际上近几年对三相PWM电压型整流器的研究，多数采用直接电流控制。一、间接电流控制PH“间接电流控制是一种基于工频稳态的控制方法。由于三相电压型PWM整流器电路具有对称性，因此仅以一相为例进行分析。图22间接电流控制单相等效电路图图22为间接电流控制单相等效电路图，图中电感电流由电源电压乞和整流桥输入电压圪的基波分量决定，当电源电压和电感值一定时，通过控制电压圪的幅值和相位，即可控制输入电流，这就是间接电流控制的基本原理。间接电流控制的缺点是1由于系统无电流环，因此自身无限流功能，需另加过流保护；2系统从一种稳态向另一种稳态过渡时电流中会出现直流分量；第二章三相电压型P1|LM整流器建模及仿真3系统动态响应慢。间接电流控制方法的上述缺点，限制了其在整流器和PFC电路中的应用。二、直接电流控制这种控制方法中，通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此这种方法称为直接电流控制。在三相整流器中，直接电流控制的主要任务是强迫三相交流负载的电流跟踪参考电流信号。因此设计直接电流控制器一般要求它尽可能的具有下列的基本要求和性能标准1理想的跟踪，也就是没有相位和幅值误差；2具有接近正弦的连续输入电流；3给系统提供好的动态响应；4开关频率固定以保证整流器的功率器件的安全运行；5低的谐波含量。根据直接电流控制算法的不同，这类控制算法又可以分为如下几类1滞环电流控制滞环电流控制是将实际输入电流与指令电流的上、下限相比较，其交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环，从而控制输入电流的变化。该类控制原理如图23所示。图23滞环电流控制结构框图这种控制方法的优点是结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，应用较广。缺点是开关频率在个工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，因而给滤波器的设计带来困难。由于滞环电流控制的开关频率不固定，有人提出固定开关频率的滞环电流控制，其基本原理时根据网侧电压或锁相技术使其容许带宽能够变化。但是系统控制较为复杂，与实际应用仍有一些差距。2预测电流控制图24预测电流控制原理图这种控制方法是基于系统微分约束关系，在一个开关周期内对电流做出预测性控制，当开关的频率较高时，可实现电流的无差拍控制。其控制原理如图24所示。这种第二章三相电压型PIM整流器建模及仿真控制方案的优点是电流控制精度高，电压控制环响应速度快。缺点是由于依赖微分约束关系，所以整个系统对参数的变化很敏感。另外当开关频率较低时，电流相移增大，甚至导致这种方法的失败。3电流跟踪控制这种控制方法最初用在逆变器中，也叫砰砰BANGBANG控制。借用到整流器中，其原理类似，即为了使交流侧的实际电流跟踪上指令电流，采用电流调节器直接对电流进行闭环控制。这种控制方法又可以分为ABC型和DQO型。4滑模变结构控制整流器的时变参数问题是人们一直努力解决的问题。考虑到开关变换器的开关切换动作与变结构系统的运动点沿切换面高频切换有动作上的对应关系，因而可以考虑采用滑模变结构控制这种方法来控制整流器。由于滑模变结构控制的滑动模态可以设计，且与系统的参数及扰动无关，因而整个系统对外界扰动以及系统的参数变化具有良好的自适应性、不灵敏性，即很强的鲁棒性。5状态反馈控制1995年DIEGORYEAS提出此方案。这是针对电流型整流器输入滤波器容易出现振荡以消除振荡的控制方案。其控制原理如图25所示。嬲咎臣互辟壁至船图25状态反馈控制原理为了增强系统的抗干扰性，有的状态反馈控制引入电压前馈，但是需要检测的信号较多，控制较为复杂。6空间矢量控制卜引将交流电机理论中的空间坐标系旋转变换理论引入到PWM整流器的分析中来，将相电压各周期内每兰划分1个分区，一个控制周期内包含6个分区。首先检测相电压相位，3即过零检测；然后根据三相电压的相位来判断控制矢量所处的分区，每个分区对应各自不同的开关状态；最后根据采集的相电压和电流指令的大小，决定控制矢量的大小，控制矢量的执行由分区对应的开关状态决定。该种控制方法和SPWM控制方法相比，具有直流电压利用率高、易于数字化实现的优点。其控制原理如图26所示。、第二章三相电压型P删整流器建模及仿真图26空间矢量控制原理图23滞环控制算法分析与仿真滞坏控制算法不依赖于整流器系统的数学模型、系统参数，也不需要对系统模型进行近似和简化处理，具有动态响应快、控制精度高的特点。因此，本课题采用滞环控制算法作为三相PWM整流器的控制策略。231滞环控制算法分析图27滞环电流控制结构框图16第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真滞环电流控制结构如图27所示。滞环电流控制是一种瞬时值反馈控制模式，其基本思想是将电流给定信号与检测到的整流器实际输入电流信号相比较，若实际电流大于给定值，则通过改变整流器的开关状态使之减小，反之增大。这样，实际电流围绕给定电流波形做锯齿状变化，并将偏差控制在一定范围。因此，采用电流控制的整流器系统已包括有一个BANGBAJLG控制的电流闭环。电流反馈的存在能够加快动态响应和抑制环内扰动，而且还可以防止整流器过流而保护功率开关元件，这些优点使它得到了广泛的应用。图28滞环电路控制原理图如图27示，在此控制方法中，把给定电流信号厶与交流电流实际信号屯如进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，滞环比较器产生控制主电路中开关通断的脉冲信号，该脉冲信号经驱动电路控制开关的通断。如图28所示是滞环控制波形图，滞环宽度是劾，当实际电流I大于滞环上限I时，则开通对应的上桥臂的功率元件；如果实际电流I小于滞环下限F一H时，则开通对应下桥臂的功率元件，从而使实际电流在滞环范围TI一IL，IHI内变化。滞环控制方法的数学表达式如216218所示，其滞环控制的电流波形范围如图29所示指令电流FLIBLSINWT216滞环上限T，FH217IZ”。LK。滞环下限L枷2L。，Z式中L为指令电流最大值；H为滞环半宽。218第二章三相电压型PWID整流器建模及仿真图29滞环控制波形图232滞环电流控制的开关频率分析根据三相整流器在ABC坐标系的数学模型，忽略交流回路电阻，三相PWM整流器的电流方程式可记为T鲁叫一一半设斩波开关周期为互，则上式的增量式为哮叱一一半219220设墨一半一瓯A口，6，C系统在正常工作时有8种工作开关模式如表2一为了便于分析电路滞环控制下影响整流器开关频率的主要因素，作以下假设1忽略实际开关状态变化过程中的延时，认为E，S。的变化瞬间发生。2在某一相开关周期的上升或下降段，由于其他两相开关状态的随机性，使整流器输出电流的变化率不能保持唯一。为使问题简化，假设其它两相的开关状态变化也只发生在该开关的切换点，以保证上升或下降段输出电流变化的唯一性。这并不影响定性分析整流器开关频率的主要因素。第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真开关模式SOSBSCK。屯T0000OOO1OO11313232O1O1323133O1123131341OO23131351O132313611O一1313237111O0O表21滞环电流控制的上作模式图210开关周期示意图T如图210所示，以瓯的一个开关周期为例。在上升段因只一0，故K0，当1最短时，整流器的最高频率变化最快，此时，七一3，K23，于是有篆4丢“。；U出。19第二章三相电压型PWM整流器建模及仿真若此时的给定电流变化率大于丢J2U如，则整流器输入电流将无法跟踪。与此类似，在下降段因一1，故K0，同样，从2最短考虑，K一4，K一一23，于是有篆4专，若此时的给定电流变化率小于一引，电流也将无法跟踪。现讨论可跟踪情况，由图210可推导出在电源电压、负载电流一定时，对选定的，己。，H等参数，开关频率为厂。至1U2JL,D型I口221。2HL,UD由此可见，厂除了受滞环比较器环宽2，L的影响外，还依赖于整流器的设计参数，T及所需补偿的电流变化率。一般情况下R,MAXTHENDATAOUTQQQQSO；ENDCASE；ENDIFCQ12DOWNTO9；HOLDAQ15；HOLDBQ14；HOLDCQ13；A2Q12；A1Q11；AOQ10；RDQ9；WRQ8；STATEQ7DOWNTO3；ENDPROCESSPL；P2PROCESSCLK，ADINBEGINIFCLKEVENTANDCLKN0THENIFC一”0000”THENADAOADIN；一A0OUTELSIFC”0010”THENADALADIN；一ALOUTELSIFC”0100”THENADBOADIN；一BOOUTELSIFC”0110”THENADBLADIN；一BLOUTELSIFC”1000”THENADCOADIN；COOUTELSIFC”1010”THENADCLADIN；一CLOUTENDIFENDIF；ENDPROCESSP2；ENDA44第四章滞环电流控制的FPGA实现该VHDL程序的仿真波形如图410所示。从图中可见，该模块可以实现六通道采样，并可分别进行数据输出。舻E1RVL缈HOL扣VOJLJ喧尹I晶VO_LJ岱MHV0JLJ掣DKVON几几几N几几N广几几N几八N几几NN几几几几几N几几几几几几厂N几几LF固ANH00000000X00XIIX姗XBILLICOCOXCLCL缈皿VLUL厂LUUU移固A201口0DX广1RRR1R_SX吃，团DMM啪0000X加函团DIMLL0000X1JL移固如0MH啪0000XB0囝西IHILBLOOOOXLI矗I抄囱DC0HO咖0000XC叱O移田DCLHCICL0000XCI移团ST垭VOX弛也多TUL图410AD采样仿真图47滞环算法功能整体实现及仿真把上述模块连接在一起组成一个完整的系统，其在QUARTUSII环境下的原理图如图411所示。图411系统原理图图412为系统在QUARTUSII环境中得到的仿真图，从图中可以看出此系统可以生成由滞环控制算法得出的PWM脉冲波形，PA，PB，PC为ABC三相的开关函数，XHXA，B，C45第四章滞环电流控制的FPGA实现为上桥臂开关信号，XLXA，B，C为下桥臂丌关信号。48本章小结图412系统仿真图本章首先介绍了滞环算法的功能模块划分，将其划分为PL算法模块，限幅与指令电流生成模块，滞环比较模块，PWM脉冲生成及死区保护模块，AD控制及数据储存模块，并分别进行了详细说明，最后给出了在QUARTUSII环境中得到的仿真图形。总结鸶缝心日本课题主要对基于FPGA的整流控制器进行了研究，在查阅大量国内外文献资料的基础上，对课题研究的意义有了更深入的认识。接下来对三相电压型整流器的数学模型、整流器的控制技术进行了介绍，最后重点分析滞环电流控制算法原理，此算法具有结构简单，电流响应速度快，不依赖系统参数，鲁棒性好的特点，并在MATLAB环境下对此算法进行了仿真。在QUARTUSII软件环境下对滞环控制算法进行了模块划分，将其划分为PI算法模块，限幅与指令电流生成模块，滞环比较模块，PWM脉冲生成及死区保护模块，AD控制及数据储存模块，并使用VHDL语言完成对各模块的设计。实践证明，采用FPGA来实现PWM整流器控制算法是可行的。但由于在经验和技术上的不足，自行设计的AD采集板没有能够调试成功。同时在使用FPGA进行算法设计时，感觉到虽然FPGA有强大的功能和良好的应用前景，但其现在实现某些算法相比DSP来说还是困难一些，比如大部分FPGA不能够处理模拟信号就给一些应用带来不便。这就期待FPGA技术的不断发展给我们带来功能更强大，使用更方便的新器件。本课题还有许多需要完善的地方，以下几方面的研究还需要进一步深入和拓展1、由于FPGA器件不能处理模拟信号，外部AD采样是不可缺少的。AD采集板仍然是实现整个系统的一个重点。2、FPGA的优势在于强大的并行处理能力，可在控制系统中加入液晶显示，上位机通讯等功能，方便对整流器系统的试验和调试。3、实现更为先进的控制算法，如空间矢量、模糊控制等。4、FPGA和DSP各有优势，可以考虑两者协同工作，发挥各自优势，实现更优良的控制效果。参考文献参考文献1王兆安，黄俊主编电力电子技术第四版【M】北京机械工业出版社，20022陈坚电力电子学一电力电子变换和控制技术【M】北京高等教育出版社，20023王兆安，杨军，刘进军。谐波抑制和无功功率补偿【M】北京机械工业出版社，19994JINBANGXU，JINZHAO，LINGLUO，ETA1ANEWCONTROLSTRATEGYOFUNITYPOWERFACTORFORTHREEPHASEPWMRECTIFIERSYSTEM【J】INDUSTRIALELECTRONICSSOCIETY,2004，30THANNUALCONFERENCEOFIEEE，7097145张崇巍，张兴P1J|M整流器及其控制【M】北京机械工业出版社，20036郑颖楠，傅诚电压型可逆变流器的控制策略现状与发展J电气传动20016，367武志贤，蔡丽娟，汤酉元三相高功率因数整流器的研究现状及展望J电气传动2005，V0135，NO2378韦和平现代电力电子及电源技术的发展【J】现代电子技术，2005，181021059褚振勇翁木云FPGA设计及应用【M1西安西安电子科技大学出版社，200210郑颖楠，傅诚电压型可逆变流器的控制策略现状与发展J电气传动20016，3611DIXONJ，WETLINDIRECTCURRENTCONTROLOFAUNITYPOWERFACTORSINUSOIDALCURRENTBOOSTTYPETHREEPHASERECTIFIER【J】IEEETRANSONPOWERELECTRON1995，135313612张笑微，李永东幅相控制P1】IM变流器电流谐波分析及参数选择J电力电子技术2003，V0137，NO4131513魏学森，刘志强，王娜基于空间电压矢量脉宽调制的单位功率因数整流器J电气传动2003，“404314TIPSUWANPOM,V，INTAJAG,S，TARASANTISUK，CETA1ENHANCEDCONTROLDESIGNOFSINGLEPHASEACDCCONVERTERUSINGPOWERBALANCECALCULATOR【J】POWERELECTRONICSANDMOTIONCONTROLCONFERENCE，2004，V0131101110415BO卜RENLIN，TSUNGYUYANG，YUNGCHUANLEETHREEPHASEHIGHPOWERFACTORRECTIFIERWITHUNIDIRECTIONALPOWERNOWPPOWERELECTRONICSANDDRIVESYSTEMS，2003，V0121375137916HUARMKENGCHIANG，BORRENLIN，KAITSANGYANGSINGLEPHASEHIGHPOWERFACTORRECTIFIERBASEDONPICONTROLLERWITHGREYPREDICTIONJTENCON2004V014656817KAMOKAT，KISHIMOTON，INAGAKIMTRANSIENTPERFORMANCEANALYSISOFASINGLEPHASEVOLTAGETYPEPWMRECTIFIERWITHACTIVEFILTERINGFUNCTION【J】POWERELECTRONICSSPECIALISTSCONFERENCE2004，V0153707371218ENHUIMINGASIMPLIFIEDALGORITHMFORSPACEVECTORMODULATIONOFTHREEPHASEVOLTAGESOURCEPWMRECTIFIERJPOWERELECTRONICSSPEC