电力电子技术无差拍控制方程毕业论文

1、太原科技大学电子信息工程学院毕业论文(设计)摘 要首先对变频器进行了简单介绍，并对变频器的谐波产生机理、谐波干扰途径、谐波干扰的危害等进行了分析。接着说明了脉冲宽度调制型方法的一系列性质，并由负载性质下的无差拍控制方程推导出了感性负载下的无差拍控制方程，由控制方程进行了计算机模拟仿真研究，并给出了一系列模拟结果。仿真结果表明，所得的输出波形已与正弦波相当接近，证明了无差拍控制是一种有效的谐波抑制技术，同时也是一种性能优良的PWM方法，采用此种控制算法能够有效的抑制变频器工作过程中产生的谐波干扰，并使输出电压很好的跟踪参考电压，控制响应快。而且只有根据负载的性质来确定控制方程及其系数，这种优良性

2、能才能得以充分的发挥。关键词：变频器 脉宽调制 无差拍控制ABSTRACT Carry on simple introduction to frequency converter at first, and in harmony wave in frequency converter produce mechanism, in harmony wave interfere way , in harmony danger that wave interfered ,etc. analyse. Then has stated a series of nature of the modulating

3、 type method of width of pulse, and by load having difference is it control equation derive appear to have difference make the equation of controlling perceptual load to make under the nature, carry on the artificial research of computer simulation from the equation of controlling, provide a series

4、of simulation results. Artificial result indicate output waveform of income with sinusoidal wave to close quite already, is it have difference is it control it is one effective in harmony wave that suppress technology is one of good performance PWM method at the same time to make to prove, can adopt

5、 the control algorithm effective restrain frequency converter working course the wave in harmony emerging is interfered, enable outputting the voltage and well follow the reference voltage, control and respond it fast. Fix and control the equation and his coefficient according to the nature of load

6、only, its coefficients are determined according to the property of load. KEY WORDS: transducer PWM dead-beat control目 录前言1第1章 变频器 31.1 变频器简介 3 1.2 变频器构造与控制方式4 1.2.1 变频器的构造4 1.2.2 变频器的控制方式51.3 变频器的谐波7 1.3.1 谐波产生机理及干扰途径8 1.3.2 谐波干扰的危害8 1.3.3 抑制谐波干扰的对策10第2章 无差拍控制法112.1 脉冲宽度调制型（PWM）方法11 2.1.1 PWM控制的基本原理

7、12 2.1.2 PWM型逆变电路的控制方式132.2 无差拍控制的涵义142.3 不同性质下无差拍控制方程及其推导15第3章 优秀的仿真软件MATLAB 213.1 MATLAB简介213.2 MATLAB的特色24 3.3 M函数的编写27 3.4 Simulink仿真283.4.1 Simulink基础常识28 3.4.2 Power sys工具箱30第4章 模拟仿真研究31 4.1 仿真图形实现31 4.2 计算机模拟研究35结论41致谢42参考文献43附录 英文及其翻译前 言电力电子技术(Power Electronics Technology)是电工技术的分支之一，也是未来科学技术

8、发展的重要支柱。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和转换，是电力电子技术的主要内容。有人预言：电力电子技术连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域，变频器作为电力电子技术的重要组成部分，近年来得到了迅速发展。于是对变频器中逆变器的控制成了研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。PWM方法有使逆变器调频调压方便、低次谐波小、主电路结构简单、重量轻、造价低等优点，因而在交流电机调速和不间断电源中得到了广泛应用。三角波交截法

9、1或称次谐波控制法以及通过计算机离线确定PWM开关点位置2，3来产生PWM脉冲都是开环控制，未给出负载变化对电路工作状态产生影响的反馈信息，因而不可避免的会有负载突变引起的逆变器输出变化过度时间过长，当为非线性负载时输出谐波失真大等缺点。采用滞环比较器带非线性反馈的PWM方法4，5，虽从原理上克服了开环控制的缺点，但要求输出谐波畸变较小时开关频率会急剧上升5，增加了逆变器开关损耗。KPGokhale等在1987年首先提出了逆变器无差拍控制方法6，可克服上述不足之处。其实验指出，当采样频率为1.8kHz时，输出60Hz的正弦交流电压的谐波失真为1.34%。负载为非线性且条件最恶劣的情况下，谐波失

10、真为11.1%，而普通PWM方法为20.5%，表明了该方法的优越性。但文献8仅仅研究了纯电阻负载的情形，而实际应用中常有感性负载或容性负载的存在。本文首先介绍了一下变频器的原理与构成部分等，同时对变频器谐波产生的机理进行了分析。然后就无差拍控制法的特点等进行了总结，先导出了感性负载时的无差拍控制方程，并对其进行了MATLAB仿真，同时也对不同性质负载时无差拍控制方法PWM型逆变器的性能进行了计算机模拟仿真研究。在仿真前我们对当前国际控制界最流行的面向工程与科学计算的高级语言MATLAB进行了简单的介绍。研究过程中我们发现：通过模拟仿真选择最佳滤波参数使开关频率最低，谐波输出最小，直流电压利用率

11、最高，额定功率输出时流过开关器件的电流最小，从而为该方法的实施探索了一条可行的道路。第1章 变频器变频器由于其优良的调速性能和显着的节能效果，近年来在矿井提升、机械建筑、石油化工和造纸等行业得到了广泛的应用。但逆变电路输出侧产生的高次谐波会给电动机带来诸如发热加剧、低频脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏；另外，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。因此，本章首先对变频器其构造与控制方式进行了简单的介绍，接着就变频器谐波产生的机理与危害的进行了分析。1.1 变频器简介交流变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向，随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中

12、的应用，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速，变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制品闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM

13、VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。对交流电动机实现变频调速的变频电源装置叫变频器。其功能是将电网提供的恒压恒频CVCF（Constant Voltage Constant Frequency）交流电变换为变压变频VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）交流电，变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。为了使输出电压和输出频率都得到控制

14、，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。变频器通常划分为：交-交变频器，脉冲宽度调制型变频器（PWM），交-直-交变频器等。其中交-交变频器又可按相数划分为单相变频器与三相变频器，按输出波形可划分为正弦波变频器与方波变频器；而交-直-交变频器也可划分为电压源型变频器与电流源型变频器。1.2 变频器的构造与控制方式1.2.1 变频器的构造变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。其中逆变器的结构框图如下：图1-1 逆变器框图随着变频调速器的广泛应用，许多工程技术人员对它

15、也有了相当的了解，一般通用型变频器大致包括以下几个部分：1整流电路，2直流中间电路，3逆变电路，4控制电路。而产生可调电压和可调频率的逆变电路，又应该是变频器各组成部分的核心技术。逆变电路主要包括：逆变模块和驱动电路。由于受到加工工艺，封装技术，大功率晶体管元器件等因数的影响，目前逆变模块主要由日本(东芝，三菱，三社，富士，三肯)及欧美(西门子，西门康，摩托罗拉，IR)等少数厂家能够生产。1.2.2 变频器的控制方式变频器的控制方式经历以下四代，我们可以在不同的情况下选择合适的控制方式，以使变频器运转最佳，获得最好的控制效果。(一) 以U/f=C，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是：控制

16、电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显着，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。(二) 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次

17、生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。(三) 以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相

18、当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。(四) 以直

19、接转矩控制，又称DTC控制1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。(五) 矩阵式交-交方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的

20、一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦并且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际

21、的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现Band-Band控制按磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制；具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2%，无PC反馈），高转矩精度（<+3%）；具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括在0速度时），可输出150%200%转矩。1.3 变频器的谐波变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生电流高次谐波，干扰供电系统、负载及其它邻近电气设备。在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题，下面开始简单介绍谐波产生的机理，并就此分析谐波抑制问题。

22、1.3.1 谐波产生机理与干扰途径变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关组件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变组件，其PWM的载波频率为23kHz，而IGBT大功率逆变组件的PWM最高载频可达到15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外

23、高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。变频器谐波干扰的途径，与一般无线电干扰一样，可分为传导和辐射。在传导过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合而形成感应干扰：变频器输出侧谐波又会辐射，对附近的无线电设备产生干扰。1.3.2 谐波干扰的危害变频器的谐波对各种设备都有比较大的危害，具体说来如下：a. 变压器 电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生燥声。损失随频率之增大而增大，故谐波的高频成分比低频成分对增加变压器的温升是比较重要

24、的因素。b. 电动机 输出谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往降额使用。由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。c. 电力电容器组 一般电容器的标准规范规定其最大电流只允许35的超载。但实际运转时由于谐波的影响常常严重超载。由于电容器之阻抗，随频率的增加而减少，故谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量电流，因而导致过热，增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会产生振动电路、过电流及产生噪声。d. 开关设备 由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，致使增加

25、暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。开关设备一旦出现了问题，则消弧线圈将无法正常的使电弧引入消弧室内，而使开关设备无法正常断开电路。所以当谐波过大时，常会引起一些无熔丝开关跳脱，也很容易使一些开关里的电力熔丝（保险丝）熔断。e. 保护电路 电流中含有谐波，必产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。一般而言，谐波应限制在10以下，才不致影响保护电器的正常动作。f. 计量仪表 电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。同时过大的谐波电流，也很容易使仪器里的线圈损坏。g. 电力电子设备 在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误

26、动作。这种设备靠着准确的电压零交叉原理或电压波形的形态来控制或操作。若电压有谐波成分时，零交叉点移动、波形改变，以致造成很多误动作。h. 照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。 由上述可见,变频器谐波干扰的危害是巨大的，此在电力电子技术中变频器方面面临着一个重要的课题，就是如何抑制变频器的谐波,如何将频器的谐波干扰危害减少到最小。1.3.3 抑制谐波干扰的对策针对谐波的传播途径，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射的干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。而这通常又分为在变频器输入侧和输出侧

27、的对策。在防止输出侧谐波干扰的对策中，其中一种很重要很有发展前途的是脉宽调制型（PWM）方法，而无差拍控制法作为一种优良的PWM方法， 由于其具有瞬时响应快、精度高、THD小等特点，被公认为一种优秀的控制策略。当其应用在变频器谐波抑制方面时更有减小谐波失真，降低逆变器损耗等优点，因而成为研究的热点。而先前的研究大都只涉及了纯电阻负载的情形，在此我们对不同性质负载下无差拍控制法在变频器谐波抑制中的作用进行了仿真研究。第2章 无差拍控制法当无差拍控制法最初被提出来时没人会想到到它会被运用于逆变器，也没想到它在变频器方面有如此大的优点。直到1987年，K.P.Gokhale等首先提出了把逆变器无差拍

28、控制法，并充分展示了无差拍控制法在变频器方面的巨大优势。于是，无差拍控制法在变频器领域的研究蓬勃开展起来。2.1 脉冲宽度调制型（PWM）方法说到无差拍控制法不得不提到脉冲宽度调制型（PWM）方法。为了使输出电压和输出频率都得到控制，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。这种方式有以下缺点： 输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有不利影响。 用相控的方式来改变中间直流环节的电压，使得输入功率因素降低。 整流环节和逆变电路两级均采用可控的功率环节，较为复杂，也提高了成本。 中间直流环节有大电容存在，因此调节电压时惯性较大，

29、响应缓慢。而采用脉冲宽度调制型变频电路就可以较好的克服上述缺点，这种电路通常称之为PWM（Pulse Width Modulation）型变频电路。PWM控制方式就是在对逆变电路开关器件的通断时间进行控制的基础上，使输出端得到一系列的幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。这种PWM型变频电路主要有以下特点： 可以得到相当接近正弦波的输出电压。 整流电路采用二级管，可获得接近1的功率因数。 只用一级可控的功率环节，电路结构较简单。 通过对输出脉冲宽度的控制就可以改变输出电压，大大

30、加快了变频器的动态响应。由于上述原因，在自关断器件出现并成熟后，PWM控制技术就得到了很快的发展，PWM型逆变电路获得了广泛的应用。现在，PWM控制技术已成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大的作用。2.1.1 PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个非常重要的结论：冲量相等而形状不一样的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量既指的是窄脉冲的体积。这里所说的效果基本相同，指的是环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面来

31、分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦波。我们可以把一个正弦半波波形分成N等份，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等/N，但幅值不相等，并且脉冲顶部都不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就可以等到PWM波形的脉冲序列。由此可以得出，PWM波形的各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。在

32、PWM波形中。各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。上面说明了PWM控制的基本原理。按照上述原理，在给出了正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确的计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。但是，这种，这种方法是很繁琐的，正弦波的频率、幅值等变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法 ，即把希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。2.1.2 PWM型逆变电路的控制方式在PWM型逆变电路中，载波频率与调制信

33、号频率之比N= ，称之为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路又可以有异步调制和同步调制两种控制方式。(一) 异步调制载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波比N也是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当调制信号频率较低时，载波比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都比较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载

34、波比N就减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出环节变坏。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，应希望提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。 (二) 同步调制载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式成为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比N为3的整数倍，以使

35、三相输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周对称，N应取为奇数。当逆变电路输出频率很低时，因为在半个周期内输出脉冲的数目是固定的，所以由PWM调制而产生的附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动机的正常工作带来了不利影响。同步调制方式相对于异步调制方式来说要复杂一些，但使用微机控制时还是比较容易实现的。也有的电路在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这种方式可把两者的优点结合起来，在有些场合应用比较广泛。2.2 无差拍控制的涵义无差拍控制法本质上和PWM方法是一致的，其实它就是一种特殊的P

36、WM方法。其基本原理、控制方式都和PWM方法大同小异，但是它也有自己的特点，浅述如下。无差拍控制就是根据系统方程及状态反馈实时计算出本节拍所需要的输出，其突出的优点是动态响应快，但当系统动态响应过快时会出现较大的超调量，其计算的实时性强，但对硬件的要求高，且其所要求的模型必须相当精确。它就是一种在电流滞环比较控制技术基础之上发展起来的全数字化控制技术，利用前一时刻的电流参考值和各种开关状态下变流器的电流输出值，选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。这种方法与传统的PWM方法相比，由于脉冲宽度由控制方程根据逆变器当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。无

37、差拍控制逆变器负载适应能力强，对负载切换造成的过渡过程短，对非线性负载输出谐波失真小。它的另一优点是对逆变器输出波形的相位加以控制而不受仿真的影响，从而为多路逆变器对负载的并联供电创造了条件。2.3 不同性质下无差拍控制方程及其推导下面就以单相全桥逆变电路为例，具体的推导一下不同性质负载下无差拍控制PWM逆变器的方程。图2-1示出了单相全桥逆变电路的原理图，图中in是逆变桥输出的方波脉冲序列。每一方波位于取样周期的中心，形式如图2-2所示。in只能取+E、0、-E三种值，其中E是逆变桥直流输入电压。SA1、SA2、SA3、SA4为逆变桥。其基本的控制方法就是在每个控制周期内, 根据参考电压和采

38、样得到的u、的值, 实时计算出所需的Ton , 并给出开关控制信号以实现此Ton , 从而使负载上的输出电压尽可能跟踪参考电压. 参考电压信号是正弦波, 把每个周期的参考信号进行N等分, 每一份就是一个控制周期T。而逆变器无差拍控制的思路就是通过电路理论求得决定脉宽的控制方程，并借助微处理器进行脉宽计算使逆变器输出接近理想的正弦波形。图2-1 单相全桥逆变电路原理图 图2-2 取样形式在纯电阻负载时，根据文献6推导的无差拍控制方程如式（2.1）所示。下面我们就式（2.1）好好分析一下。 （2.1）式中 第K个取样周期开始时刻电容电压 取样周期末尾时的值式（2.1）表明，若测得取样周期起始时刻电

39、容电压（也就是负载电压）及流过电容电压（），那么适当的选择在第K个取样周期的电压方波宽度与极性就可以使取样周期末尾时刻负载上的电压等于输出参考波形在该时刻的值。每一采样周期用式（2.1）对逆变桥输出方波脉冲的极性和宽度进行调节，即可以在纯电阻负载上获得失真小的正弦电压。这就是无差拍控制方法。无差拍控制是一种基于电路的控制方法，因而在不同性质负载下得到的控制方程是不一样的。容性负载可等效为电阻和电容并联，因而其控制方程与式（2.1）一样，只是式（2.1）中C包含了滤波电容与负载并联电容，而感性负载的控制方程需另行推导。三种情况下图形如下：(a) (b) (c)图2-3 负载的种类(a) 阻性(b

40、) 容性(c) 感性下面接着推导感性负载控制方程，其精度可根据需要任意取舍。因为逆变桥部分是相同的，因而在此无需赘述，不同的部分只是右侧的部分。对感性负载方程进行推导时我们可利用原来学习过的电路知识与高数、复变知识等来实现设计目的。图2-4是逆变桥右侧的滤波器与感性负载电路部分，图中为滤波电感，为负载电感，C为滤波电容，R为负载电阻，是逆变桥输出的PWM脉冲序列，形式如图2-2。图2-4 滤波器与感性负载电路图2-4 的电路方程为：（2.2）（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）（2.7） 将式（2.2）（2.4）进行拉氏变换 式中 分别为经拉氏变换后在复频域中的对应量分别为在取样周期的起始

41、时刻值S为复频率是图2-2中所示取样周期内方波脉冲的拉氏变换，其近似式为 （2.8） 式中 T为取样周期 E为逆变桥输入直流电压 为方波脉冲宽度从式（2.5）（2.7）中消去得到： （2.9） 用泰勒级数展开，取到三次项，再进行拉氏反变换，求得取样周期T后的值为 （2.10）式（2.10）即为感性负载的控制方程。只要测得取样周期初始时刻的，便可以用式（2.10）求使落到参考波上。由此也可推得容性负载的无差拍控制方程为： （2.11） 为容性负载的电容分量，其它都同上。用上述方法对文献6的纯电阻负载控制方程进行修正，得到图2-1所示纯电阻负载逆变器精度更高的控制方程为： （2.12）式中 分别为

42、滤波电容电压、滤波电感电流在取样周期初始时刻的值滤波电容电压在取样周期末尾时刻的值T取样周期L纯电阻负载时的滤波电感C滤波电容R负载电阻E逆变桥输入直流电压再此方程下，方程精度提高，能有效的抑制输出谐波，在非线性负载下，这一点尤其明显。第3章 优秀的仿真软件MATLAB下面我们就无差拍控制法在变频器谐波抑制中的应用进行MATLAB仿真研究。研究以单相全桥逆变电路来举一反三，本文的结果同样也可以推广到半桥或是三相的情况。研究前有必要把优秀的仿真软件MATLAB介绍一下，让大家有个基本的了解。 MATLAB 产品家族是美国Math Works公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实时实现的理

43、想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB 的主要应用方向 科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具，全球现有超过五十万的企业用户和上千万的个人用户，广泛的分布在航空航天，金融财务，机械化工，电信，教育等各个行业。3.1 MATLAB简介MATLAB是英文Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写。MATLAB语言的首创者Cleve Moler教授在数值分析，特别是在数值线性代数的领域中很有影响，他参与编写了数值分析领域一些著名的著作和两个重要的Fortran程序E

44、ISPACK和LINPACK。他曾在密西根大学、斯坦福大学和新墨西哥大学任数学与计算机科学教授。1980年前后，当时的新墨西哥大学计算机系主任Moler 教授在讲授线性代数课程时，发现了用其他高级语言编程极为不便，便构思并开发了MATLAB(MATrix Laboratory，即矩阵实验室)，这一软件利用了当时数值线性代数领域最高水平的EISPACK和LINPACK两大软件包中可靠的子程序，用Fortran语言编写了集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统。所谓交互式语言，是指人们给出一条命令，立即就可以得出该命令的结果。该语言无需像C和Fortran语言那样，首先要求使用者去编写源程序

45、，然后对之进行编译、连接，最终形成可执行文件。这无疑会给使用者带来了极大的方便。早期的MATLAB是用Fortran语言编写的，只能作矩阵运算；绘图也只能用极其原始的方法，即用星号描点的形式画图；内部函数也只提供了几十个。但即使其当时的功能十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。CleveMoler和JohnLittle等人成立了一个名叫TheMathWorks的公司，CleveMoler一直任该公司的首席科学家。该公司于1984年推出了第一个 MATLAB 的商业版本。当时的MATLAB版本已经用C语言作了完全的改写，其后又增添了丰富多彩的图形图像处理、多媒体功能、符号运

46、算和它与其他流行软件的接口功能，使得MATLAB的功能越来越强大。The MathWorks 公司于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB 4.0版本，并于1993年推出了其微机版,可以配合Microsoft Windows一起使用，使之应用范围越来越广。1994年推出的4.2版本扩充了4. 版本的功能，尤其在图形界面设计方面更提供了新的方法。1997年推出的MATLAB5.0版允许了更多的数据结构，如单元数据、数据结构体、多维矩阵、对象与类等，使其成为一种更方便编程的语言。1999年初推出的MATLAB5.3版在很多方面又进一步改进了MATLAB语言的功能。2000年10月底推出了其全

47、新的MATLAB6.0正式版(Release 12)，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面有了极大的改进。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项工作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明。与利用c语言或其它语言作数值计算的程序设计相比，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。MTALAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。 (1)MATLAB

48、语言体系 MATLAB是高层次的矩阵/数组语言，具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 (2)MATLAB工作环境 这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称。包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。 (3)图形对象系统 这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GU

49、I应用程序的各种工具。 (4)MATLAB数学函数库 这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB应用程序接口(API) 这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用C程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。 由此可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MATLAB还具有很强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。用户可以根据

50、自己的工作任务，开发自己的工具箱。虽然MATLAB语言是计算数学专家倡导并开发的，但其普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献。甚至可以说，MATLAB语言是自动控制领域学者和工程技术人员捧红的，因为在MATLAB语言的发展进程中，许多有代表性的成就和控制界的要求与贡献是分不开的。迄今为止，大多数工具箱也都是控制方面的。MATLAB具有强大的数学运算能力、方便实用的绘图功能及语言的高度集成性，它在其他科学与工程领域的应用也是越来越广，并且有着更广阔的应用前景和无穷无尽的潜能。子曰：“工欲善其事，必先利其器”。如果有一种十分有效的工具能解决在教学与研究中遇到的问题，那么MATLAB语言正是这样的一

51、种工具。它可以将使用者从繁琐、无谓的底层编程中解放出来，把有限的宝贵时间更多地花在解决问题中，这样无疑会提高工作效率。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。可以预见，在科学运算、自动控制与科学绘图领域MATLAB语言将长期保持其独一无二的地位。3.2 MATLAB的特色在MATLAB产品家族中，MATLAB工具

52、箱是整个体系的基座，它是一个语言编程型（M语言）开发平台，提供了体系中其它工具所需要的集成环境（比如M语言的解释器）。同时由于MATLAB对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计算能力。 MATLAB (MATrix LABoratory)具有用法简易、可灵活运用、程式结构强又兼具延展性。以下为其几个特色： 功能强的数值运算 - 在MATLAB环境中，有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用，函数的标示自然，使得问 题和解答像数学式子一般简单明了，让使用者可全力发挥在解题方面，而非浪费在电脑操作上。 先进的资料视觉化功能 - MATLAB的物件导向图形架构让使用者可执

53、行视觉数据分，并制作高品质的图形，完成科学性或工程 性图文并茂的文章。 高阶但简单的程式环境 - 做为一种直译式的程式语言，MATLAB容许使用者在短时间内写完程式，所花的时间约为用 FORTRAN 或 C 的几分之一，而且不需要编译(compile)及联结 (link) 即能执行，同时包含了更多及更容易使用的内建功能。 开放及可延伸的架构 - MATLAB容许使用者接触它大多数的数学原使码，检视运算法，更改现存函数，甚至加入自己的函数使 MATLAB成为使用者所须要的环境。 丰富的程式工具箱 - MATLAB的程式工具箱融合了套装前软体的优点，与一个灵活的开放但容易操作之环境，这些工具箱提

54、供了使用者在特别应用领域所需之许多函数。现有工具箱有：符号运算（利用Maple V的计算核心执行）、影像处理、统计分析、讯号处理、神经网路、模拟分析、控制系统、即时控制、系统确认、强建控 制、弧线分析、最佳化、模糊逻辑、mu分析及合成、化学计量分析。MATLAB产品体系的演化过程经过了很多的改进,但其最重要的一个体系变更是引入了Simulink，用来对动态系统建模仿真。其框图化的设计方式和良好的交互性，对工程人员本身计算机操作与编程的熟练程度的要求降到了最低，工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上去。针对控制逻辑的开发，协议栈的仿真等要求，MathWorks公司在Simulink平台上

55、还提供了用于描述复杂事件驱动系统的逻辑行为的建模仿真工具 Stateflow，通过Stateflow，用户可以用图形化的方式描述事件驱动系统的逻辑行为，并无缝的结合到Simulink的动态系统仿真中。在MATLAB/Simulink基本环境之上，MathWorks公司为用户提供了丰富的扩展资源，这就是大量的Toolbox和Blockset。从1985年推出第一个版本以后的近二十年发展过程中，MATLAB已经从单纯的Fortran数学函数库演变为多学科、多领域的函数包，模块库的提供者。用户在这样的平台上进行系统设计开发就相当于已经站在了巨人的肩膀上，众多行业中的专家、精英们的智慧结晶可以信手拈来

56、。同时，MATLAB开放的体系结构允许用户在平台上进行自由扩展，目前在全世界范围内已经有大量的商业的或者免费的MATLAB二次开发产品发布（比如FEMLAB和PSS）。换句话说，用户购买一套MATLAB，获得的是世界范围的专家支持。而对于用户自己开发的算法包，MATLAB也提供了包括Compiler应用发布和Web网络发布在内的众多方式的发布途径，使得用户一方面能够充分地利用MATLAB的算法资源形成技术成果，同时又可以有效的保护自己的知识产权。在这样一个产品体系中，我们可以看到，由于MATLAB具有极其丰富的Toolbox资源的支持，使得用户可以方便的进行具有开创性的建模与算法开发工作，并通过MATLAB强大的图形和可视化能力反映算法的性能和指标。所得到的算法则可以在Simulink环境中以模块化的方式实现，通过全系统建模，进行全系统的动态仿真以得到算法在系统中的动态验证。随着MATLAB在行业内影响力的快速扩大，与MathWorks公司形成战略联合的公司和寻求与MATLAB进行接口的软硬件产品的也日益增多。目前MATLAB所支持的第三方产品已经有三百余种，分布在科学计算、机械动力学设计、化工、信息工程，汽车、金融财务等各个学科领域，接口方式包括联合建模、