逆变器毕业设计成果

1、毕业设计成果（产品、作品、方案）设计题目: 智能逆变器的设计与制作 二级学院 航空电子电气工程学院 专 业 航空电子信息技术 班 级 航电1303班 学 号 201300023036 姓 名 唐 震 指导老师 宋 烨 二一五年 十二 月 二十 日诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除设计中特别加以标注的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日目 录摘 要31. 设计任务和设计思路41.1 设计意义41.2 设计要求4

2、1.3 设计思路41.4 方案选择42. 硬件原理及其电路设计62.1 CC-PWM变换器的基本原理62.2 CC-PWM逆变器的数学模型72.3 CC-PWM逆变器的主要控制方法92.3.1 滞环电流控制方法92.3.2 线性电流控制方法102.3.3预测电流控制方法112.4 改进型CC-PWM滞环电流控制器设计112.4.1 正弦环宽滞环电流控制方案112.5 模糊变环宽滞电流控制方案122.6 模糊自整定PI控制器设计132.6.1 控制方案132.6.2 控制器设计142.7 基于神经网络的模糊推理自整定PI控制器设计152.7.1 控制方案152.7.2 控制器设计163.电路的制

3、作173.1 元器件的选择173.1.1 GTR电力晶体管173.1.2 MOSFET173.1.3 通态电阻173.1.4 热阻183.1.5 输入电容183.1.6栅极驱动电压183.2 元器件的焊接183.2.1 焊接要点183.2.2 注意事项183.3 电路调试193.3.1 检测各个参数点193.4成品展示19设计总结20参 考 文 献21摘 要智能逆变器电流控制电压型（CC-PWM逆变器）由于他具有优良的系统动态响应特性，在许多工业领域中得到了广泛的应用。经过查找各种资料以及生活中运用到的各类逆变器，基本能够确立出逆变器的基本原理、特征以及其研究进展，采用开关函数概念建立了CC-

4、PWM逆变器的数字模型，总结了目前存在的各种电流控制技术，并讨论分析、比较了他们的利弊所在。通过仿真软件研究分析得出结论，第一：正弦环宽电流控制器。其二：模糊变环宽滞环电流控制器；这两种改进的滞环电流控制方均能改善系统的动态响应性能，减小电流的跟踪误差。深入探索了CC-PWM逆变器的线性电流控制策略，并提出了模糊自整定PI控制和基于神经网络的模糊推理自整定PI控制两种改进智型智能PI控制算法，充分利用其智能性。这些基于智能控制的自整定PI控制算法能使得CC-PWM线性电流控制器的动态性能得到改善，仿真也能确定其正确性。最后，目前应用越来越广泛的三电平逆变器的控制策略进行了简单的分析和研究，提出

5、了一种可行的简化选择基本电压矢量的空间电压矢量PWM调制方法。关键词：智能逆变器电流控制电压型，滞环控制，模糊控制，模糊神经网络控制，PI控制，三电平逆变器1. 设计任务和设计思路1.1 设计意义在逆变器的控制技术中，CC-PWM电流控制方法一直以来都是电力电子学的重要研究课题。在近二十多年的时间里，人们十分重视对CC-PWM电流控制方法的研究。对CC-PWM逆变器的研究主要是对其结构中包含的电流控制环的控制策略的研究。1.2 设计要求智能逆变器的作用是在原有逆变器的基础上更加智能化，在原有逆变器的基础之上更加快捷实现AC-DC或者DC-AC，在安全方面，比原有的普通逆变器更加安全、可靠、操作

6、简捷等优点。1.3 设计思路 设计任务-设计方案论证-单元电路设计-电路制作-电路调试-作品展示1.4 方案选择在CC-PWM电流控制方案中，滞环电流控制是应用的最经常、最广泛的一种控制方法。这是一种非线性、闭环电流控制方法。常用的一种电流闭环控制方法是滞环电流跟踪PWM（Current Hysteresis Band PWM - CHBPWM）控制，具有滞环电流跟踪PWM控制的PWM变压变频器A相控制原理如图1.2所示。 图1.2 PWM变压变频器控制原理图图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流.Ia与输出电流Ia进行比较，电流偏差Ia超过±h，经滞环控制器HBC

7、控制你变器A相上桥臂的功率器件动作。B、C二相的原理图均与此相同。 2. 硬件原理及其电路设计2.1 CC-PWM变换器的基本原理电流控制电压型PWM变换器的基本结构图如图1.3所示，它包括AD/DC和DC/AC两种类型。 图1.3 PWM变换器基本结构图在上图中，Ia*，Ib*，Ic*表示三相电流参考信号，Ia，Ib，Ic表示通过三相负载的实际电流信号，Ea，Eb，Ec表示三相电流误差值，Sa，Sb，Sc表示逆变器的三相开关信号，Udc为逆变器直流端的电压。由上图可知，CC-PWM变换器是由直流端，交流端、电压型功率变换器以及PWM电流控制器一起共同组成的。PWM电流控制器的主要任务是控制交

8、流端负载中流过的时间电流始终跟踪给定的参考电流信号指令，即PWM控制器将给定的电流信号的参考值与负载端的实际电流瞬时值进行比较，按照PWM电流控制器采用的控制算法进行计算，产生变换器功率器的开关控制信号,即Sa，Sb，Sc。通过开关的动作使得没相的店里路的误差减小。因此，PWM电流控制器的主要需要完成误差补偿和调制两项基本的任务。通常来说，PWM变换器中的电压型功率变换器通常采用如下图所示桥式变换器结构，这是一种以开关方式工作的功率放大器。如图，三相负载以R-L组合简化替代，Ea，Eb，Ec为三相反电势。对下图来说，桥式变换器进行控制时，需要注意如下几点： 图1.4 桥式变换器基本结构图 调制

9、过程 电流脉动 相间干扰 电压矢量序列与电流脉动 直流环节电压限制 2.2 CC-PWM逆变器的数学模型典型的三相电压型PWM逆变器的图谱结构图如下图1.5所示。在下图中Va，Vb，Vc是逆变器的交流端的三相输出相电压，S1-S6是六个产生输出开关信号的晶体管开关，例如：Sa代表S1和S4的组合。逆变器每相中的两个开关不能同时导通和同时关断。可做出如下定义： 0 （S1关断）（i=1，2，3，4，5）（1-1） Si= 1 （S1导通）由于在任意时刻，构成每相的两开关的状态不同，因而在式（1-1）中它 们的取值也不相同。故有下式成立： S1+S4=1 Ude = S2+S5=1 (1-2) S

10、3+S6=1 定义开关函数（Sa，Sb，Sc）： 0（ S1关断、S4导通 ）Sa= （1-3）1（ S1导通、S4关断 ）0（ S3关断、S6导通 ） Sb= (1-4)1（ S3导通、S6关断 ）0（ S5关断、S2导通 ） Sc= （1-5）1（ S5导通、S2关断 ）图1.5因此，逆变器的开关信号（Sa，Sb，Sc）可以产生8种状态。表（2-1）列举了在开关组合状态下的逆变器的输出电压情况。 逆变器的交流输出电压与直流电压的关系开关状态输出电压输出线电压SaSbScVaVbVcVabVbcVca0000000000012/3-1/3-1/30-110101/31/3-2/3-11001

11、1-1/32/3-1/3-101100-2/31/31/310-1101-1/3-1/32/31-101101/3-2/31/301-1（2-1） 2.3 CC-PWM逆变器的主要控制方法如今，存在这多种针对对于CC-PWM逆变器的电流控制方法，通常人们将它们分为线性电流控制和非线性电流控制两大类。线性电流控制器通常采用常规的电压型变换器方式运行。与非线性电流控制相比，线性电流控制器能清晰地分离成电流误差补偿和电压调制两大部分。这样，我们就能方便、快捷有效的理由开环调制的优点。一下是几种常见的CC-PWM电流控制方法。2.3.1 滞环电流控制方法下图为CC-PWM逆变器的滞环电流控制器的基本结

12、构图，该滞环比较器的环 宽为2h。由于这种控制器的结构简单、算法简单、实现简单，同时它也是最常见、应用的最广泛的一种CC-PWM电流控制方法。 图2.12.3.2 线性电流控制方法CC-PWM线性电流控制器可以分离成误差补偿和PWM调制两大部分。在线性电流控制器中，谐波比较器是最基本、最常见的一种控制结构。下图为它的基本结构图。图2.2 线性电流控制器基本结构图这种控制器采用的是线性、闭环控制方法。控制器中有3个独立的补偿电流误差的PI调节器，电流误差(Ea，Eb，Ec)通过PI控制器产生电压控制信号。2.3.3预测电流控制方法预测电流控制是在斜坡比较控制的基础上，应用预测控制理论来根据电流无

13、车和交流端的负载参数信息来预测输出PWM调制器的电压指令信号。预测电流控制是一种线性、闭环控制策略。图2.3 预测电流控制基本结构图上图为常见的CC-PWM预测电流控制器的结构图。采用的是一种恒定开关频率算法。在每个时刻采样，所以，在这种算法中，负载端的参数信息很重要，不可以忽略。2.4 改进型CC-PWM滞环电流控制器设计2.4.1 正弦环宽滞环电流控制方案通常人们所说的滞环控制器是滞环宽大小不变的滞环控制器结构。电流误差的上限和下线由下式由Ia来描述的，而且上、下限的定义在整个时间段里都是不变的。而在正弦环宽控制器中，环宽是随时间变化且与参考电流的相位有关，因而，正弦环宽的上限和下限的计算

14、方法会因参考电流幅值的正、负不同而需要采用不同计算公式。假设给定的参考输入电流按照正弦规律变化（此步骤需要运用到示波器），即： Ivef=Im*sin(w0*t) （2-1）其中Im为电流的幅值，w0为角频率。则有：滞环环宽的变化规律为：h=Hm*sin（w0*t） （2-2）其中Hm为滞环环宽变化的幅值。构成滞环环宽变化范围的两正弦曲线可以表述为：I1=Iref+h=（Im+Hm）*sin（w0*t）（2-3）I2=Iref+h=（Im-Hm）*sin（w0*t）根据参考电流的正、负极性的不同，电流的上限和下限分别为：当Ivef0时，Iu=I1，I1=I2 （2-4）当Ivef <0时

15、, In=I2，I1=I1 （2-5）测出波形如下（改图为仿真效果图）：图2.4 滞环宽带仿真效果图2.5 模糊变环宽滞电流控制方案 3.1节所提出的正弦环宽滞环电流控制器实际上是变环宽滞环控制器结构的一种简单实现形式。在实际生活中，这中方法是有误差的。因此，3.2节提出了一种模糊变环宽滞环电流控制器结构，在该结构中，根据电流误差的大小和它变化的方向在适当的时候减小滞环环宽，以避免误差电流超出滞环环宽的情况发生，从而改善它系统的动态性能指标。具体设计思路如下： 图2.5 该控制器是一个两输入一单输出的模糊控制器，输入的是电流误差和电流误差的变化，输出是滞环环宽的变化滞h。2.6 模糊自整定PI

16、控制器设计2.6.1 控制方案此时假设PI参数Kp、Kt的校正算法采用模糊校正控制算法，则该控制器就成模糊逻辑自整定PI电流控制器了。下图为采用了a-b-c三坐标下的CC-PWM的模糊自整定PI电流控制器的原理结构图。这种CC-PWM模糊电流控制方法是一种非线性、闭环控制方式。下图中，每一相的模糊PI电流控制器的输入均为该相的电流误差和误差变化值，输出为该相的PI控制器的主要参数Kp，Kt的变化值。通过模糊自整定后的PI参数产生该相的参考电压信号，然后将这个电压信号送入PWM调制器中进行调制，以产生驱动该相开关动作的信号。图2.6 PI电流控制器基本结构框图2.6.2 控制器设计图中的模块A（

17、虚线框中的部件）为a相模糊自整定PI控制器的基本结构。这是一个两输入一两输出的模糊控制器，输入的是电流误差和电流误差的变化，输出是PI调整器参数Kp和Ki的变化Kp和Kt。设计此PI控制器的步骤如下：(1)确定系统输入和输出变量的模糊子集及其论域：考虑到控制精度，将输入的两变量，电流误差E和电流误差的变化Ec以及控制器的输出Kp、Ki的变化值Kp，Ki均分为9个等级。即;E=e=-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4 ()Ec=ec=-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4 ()Kp=kp=-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4 （）Ki=ki=-4，-3，-2，-1,0,1,2,3

18、,4 （）（2）选择输入、输出变量的隶属函数；（3）输入量的模糊化；（4）确定模糊控制规则；（5）输出量的去模糊化；2.7 基于神经网络的模糊推理自整定PI控制器设计模糊逻辑控制和神经网络控制都是只能控制的重要方法，两者虽然在概念、内涵上有着明显的不同，但是都是为了处理实际系统中的不确定性、不精确性等引起的用传统控制方法难以控制的问题。模糊控制的优点是突出，例如，它无需知道被控对象的精确数学模型；具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可以实现对非线性、时变、时滞系统的控制等等。但是，在实际的应用中，模糊控制也出现了一些问题，如：模糊控制规则的寻求或建立非常困难；建立隶属函

19、数要花费相当多的时间；对于大的模糊规则和隶属函数集合，有“组合爆炸”的现象发生；多参量尽力模糊关系方程求解困难，常靠试探法；模糊系统的自学能力差等等。基于神经网络的模糊推理控制系统有时简称为模糊神经网络控制系统。它是模糊逻辑图例和神经网络有机结合的产物，是一种结合了模糊逻辑推理的强大结构性知识表达能力和神经网络的强大自学习能力的新型智能控制系统。这种控制系统主要是利用神经网络结构来实现输入量的模糊化、系统的模糊逻辑推理和输出量的逆模糊化。2.7.1 控制方案为了改进模糊逻辑控制器的不足之处，综合上面所述的基本思想，采用模糊神经网络取代上图中的模块A，则该控制器就变成了模糊神经网络自整定PI控制

20、器了。此时A模块的结构如图下所示。图2.7 自整定PI控制器结构框图其中，虚线框中的图取代了图2-2中的模块A，主要作用是产生PI控制器主要参数的调节值。2.7.2 控制器设计以4. 1. 2中的模糊PI控制器为基础，该控制器为一个两输入一单输出结构。输入的是电流唔哈和电流误差的变化值，输出的是PI控制器参数的变化值Kpc或Ktc。整个网络的输入、输出映射关系如下：（1）输入层：是将电流误差和误差的变化引入该网络结构中。（2）隶属函数层，主要任务是对输入量进行模糊化处理。（3）规则层，主要任务是实现前提匹配，在此用乘法运算代替取小运算。（4）输出层，主要任务是实现所有规则的结论组合。3.电路的

21、制作3.1 元器件的选择3.1.1 GTR电力晶体管GTR功率晶体管即双极型晶体管(bipolar transistor),所谓双极型是指其电流由电子和空穴两种载流子形成的。一般采用达林顿复合结构。它的优点是：电流密度和低饱和电压。3.1.2 MOSFETMOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tyansistor)功率场效应模块(金属氧化物场效应管)：其优点是：开关速度快：功率MOSFET又称VDMOS，是一种多子导电器件，参加导电的是多数载流子，没有少子存储现象，所以

22、无固有存储时间，其开关速度仅取决于极间寄生电容，故开关时间极短(小于50100ns),因而具有更高的工作频率(可达100KHz以上)。 h 驱动功率小：功率MOSFET是一种电压型控制器件，即通断均由栅极电压控制。完全开通一个功率MOSFET仅需要1020毫微秒库仑的电荷，例如一个1安培、10毫微秒宽的方波脉冲，完全开通一个功率MOSFET仅需要10毫微秒的时间。另外还需注意的是在特定的下降时间内关断器件无需负栅脉冲。由于栅极与器件主体是电隔离的，因此功率增益高，所需要的驱动功率很小，驱动电路简单。 h 安全工作区域(SOA)宽：功率MOSFET无二次击

23、穿现象，因此其SOA较同功率的GTR双极性晶体管大，且更稳定耐用，工作可靠性高。3.1.3 通态电阻它是功率MOSFET导通时漏源电压与漏极电流的比率，它直接决定漏极电流。当功率MOSFET导通时，漏极电流流过通态电阻产生耗散功率，通态电阻值愈大，耗散功率愈大，越容易损坏器件。另外，通态电阻与栅极驱动电压UGS有关，UGS 愈高，RDS(ON) 愈小，而且栅源电压过低，抗干扰能力差，容易误关断；但过高的栅极电压会延缓开通和关断的充放电时间，即影响器件的开关特性。所以综合考虑，一般取UGS 1215V为宜。    手册中给出的

24、RDS(ON) 是指器件温度为25时的数值，实际上器件温度每升高1，RDS(ON)  将增大0.7%,为正温度系数。3.1.4 热阻是结温和外壳温度差值相对于漏极电流所产生的热功率的比率。其中：表示温度，J表示结温，C表示外壳。3.1.5 输入电容输入电容(包括栅漏极间电容CGD和栅源极间电容CGS) ：在驱动MOSFET中输入电容是一个非常重要的参数，必须通过对其充放电才能开关MOSFET，所以驱动电路的输出阻抗将严重影响MOSFET的开关速度。输出阻抗愈小，驱动电路对输入电容的充放电速度就越快，开关速度也就越快。温度对输入电容几乎没有影响，所以温度对

25、器件开关速度影响很小。栅漏极间电容CGD  是跨接在输出和输入回路之间，所以称为米勒电容。3.1.6栅极驱动电压栅极驱动电压UGS：如果栅源电压超过20v，即使电流被限于很小值，栅源之间的硅氧化层仍很容易被击穿，这是器件损坏的最常见原因之一，因此，应该注意使栅源电压不得超过额定值。还应始终记住，即使所加栅极电压保持低于栅源间最大额定电压，栅极连续的寄生电感和栅极电容耦合也会产生使氧化层损坏的振荡电压。通过栅漏自身电容，还可把漏极电路瞬变造成的过电压耦合过来。鉴于上述原因，应在栅源间跨接一个齐纳稳压二极管，以对栅极电压提供可靠的嵌位。通常还采用一个小电阻或铁氧体来抑制不希望的

26、振荡。3.2 元器件的焊接3.2.1 焊接要点在焊接过程中，一定要注意焊接有没有虚焊，漏焊，以及各个电路之间是否连接起来，如果造成电路之间的断路，可能会发生电路短路所导致的一系列问题。（1）元器件的筛选检测，是保证本设计的重要环节。本设计所用的元器件，可以分为以下几类：安全器件，如电源线、电源开关、等。关键器件，如气敏传感器，有源蜂鸣器等。主要器件，如二极管、三极管、晶振等。一般器件，如电阻、电容、开关等。不管哪一类元器件，尤其是必须具有3C质量认证书和标志的元器件，在装接之前，都应该按照国家标准与要求进行质量检测，只有合格的元器件才可装机使用。（2）元器件的加工工艺元器件的加工主要指元器件引

27、脚的成形加工与导线的加工。元器件的引脚进行成形加工时，要用专用的成形工具，元器件引脚成形标准是，同一元器件各引脚加工成形后，长度应相等。元器件引脚之间的距离与印制电路板的安装孔距应相等。元器件两端引脚留的长度（元器件端头与弯转位置之间的长度）不能小于1.5mm。引脚长度（引脚弯转之后的垂直长度）一般不应小于46mm。导线的加工是指按规定的颜色、规格、长度进行剪裁，然后进行剥头、多股线的捻头、浸锡等的处理。（3）元器件的焊接应遵循先铆后装、先小后大、先轻后重、先低后高、先里后外、上道工序不得影响下道工序、下道工序不得变更上道工序的原则。（4）焊接时，手指应尽量避免直接接触元器件的引脚，避免直接接

28、触印制电路板（PCB板）的焊盘，操作时应戴上白色手套，以防人的汗液等物质污染焊盘或元器件引脚。拿取元器件时，应轻拿轻放。拿取大元器件时，应拿住能支撑整个元器件质量的位置，否则易损坏元器件。所有装接的元器件的型号、规格、参数，都应与工艺文件规定的相符。（5）焊接有极性和方向性的元器件时，如电解电容、二极管、三极管等，一定要注意安装的极性，切不可装反。（6）焊接色环类的元器件时，如色环电阻、色环电感等，如果设计对焊接方向没有明确规定，一般情况下，所有在水平轴方向上装接的元器件的读数都从左至右。所有在竖直轴方向上装接的元器件的读数都由下向上。3.2.2 注意事项1. 焊接不可用超过1000度的高温，否则会导致元器件的损坏。2. 在焊接之前，应检查各个元器件是否良好。3. 注意自身安全，以免灼伤3.3 电路调试3.3.1 检测各个参数点开关状态输出电压输出线电压SaSbScVaV