基于比例谐振算法的单相逆变器控制系统

基于比例谐振算法的单相逆变器控制系统摘要电压源型逆变器属于现代能量转换系统的重要组成，其控制策略改善一直为改善电能品质的关键研究方向，本文在传统电压闭环控制架构之上，把比例谐振控制器同其融合，创建复合控制体系，从而改进交流输出电压的精确度及动态反应特性，冲破现有技术存在的一些性能局限性问题。本文以拓扑结构优化为研究视角，以单相全桥逆变器作为实验载体，着重于IGBT开关模块和LC滤波网络的联合设计，为高频谐波抑制提供硬件基础，在控制策略上，采用比例谐振（PR）控制器算法，该算法在目标频点建立谐振环节，实现对正弦参考信号的零稳态误差跟踪，并大幅度提高系统对周期性扰动信号的适应能力。理论验证显示，与传统PI控制器相比，在基波频率下，所提出的方案具有明显增益性能的提高，而且相频响应也更加接近于理想调节器的标准响应。通过稳定性分析可以确定，该复合控制策略不但具有保证系统鲁棒性的能力，而且还能够使系统的稳定工作范围得到极大的扩展。仿真实验环节依托Matlab/Simulink平台展开对比，通过实验可以得知，与传统控制方案相比，在非线性负载情形之下使用PR控制器可明显削减输出电压波形的谐波失真率，而且能够有效地抑制动态响应期间的电压波动范围，特别当系统遭遇负载突变时，所采用的算法表现出很强的鲁棒特性，稳态调节速度更快，超调峰值更小，这就体现出该控制策略对于复杂工况环境具有良好的适应能力。关键词：逆变器，比例谐振算法，LC滤波器，电压闭环控制，Matlab/simulink

绪论课题意义与背景能源，特别是电能，是人类生存与发展的重要支柱，电力作为一种现代应用范围最广、便捷性突出、清洁高效的二次能源，其广泛使用极大地推动了近两个世纪的社会发展，传统的电能生产大多依靠化石燃料（石油、天然气、煤炭）来完成，这种通过燃烧产生的电力虽然给经济发展带来了动力，但也造成了严重的环境问题，大气污染、生态破坏等情况频发，而且伴随着不可再生资源储量的逐渐枯竭，能源安全问题也日益突出，在这样的背景下，太阳能、风能等可再生能源的开发和利用变得至关重要，由于这些新能源自身存在着间歇性、波动性的特点，所以它们所产出的电能很难直接满足电网稳定运行的要求，这就迫切需要研究高效储能技术或者智能调控策略以实现大规模应用。电力电子技术被当作解决上述问题的关键途径，逆变器技术在新能源开发与利用当中占据着核心地位，近些年，新能源发电领域迅速发展起来，逆变器的需求量持续上升，在新能源产业链里，其重要性逐渐彰显出来，大量新能源通过并网逆变器接入电网，电力电子设备作为负载大量运行，由此产生的对大电网稳定性的影响慢慢体现出来，这就体现出展开电力电子技术研究十分必要且紧迫，电压源型逆变器可以模仿电网接口特性，给新能源设备并网前的技术验证给予实验环境，而且可以给相关科研工作赋予稳定可靠的交流电源。本课题研究的逆变器其实就是一个反向能量转换的整流电路，它的基本作用就是通过控制半导体功率开关器件的通断状态来完成直流电到交流电的能量转变，在早期阶段，逆变器的设计重点主要放在保证输出电压和频率稳定上，现代逆变电源除了要达到传统的稳压稳频需求外，还要做到结构小型化、轻量化，并且加入绿色环保的概念来减少污染排放，为了提高运行效率实现节能目的，现在研究的重点已经慢慢转移到开发高效能、电磁兼容性好的绿色逆变电源产品上，随着电力系统越来越智能化、网络化发展起来以后，对于逆变设备的技术性能要求也越来越高。迄今为止，国内外许多研究者对逆变器中PWM控制策略进行了大量的研究。经典的PID控制、无差拍控制、双闭环反馈控制、模糊逻辑控制、滑模控制、状态反馈控制、神经网络控制以及循环迭代控制等控制策略在工业自动化、航空航天等领域已经得到了广泛的应用和验证。本课题所研究的逆变器，它最主要的功能就是借助控制半导体功率开关器件的通断来完成直流电到交流电的能量转换，在最初的阶段里，逆变器的设计主要着眼于保证输出电压和频率稳定下来，但随着技术的进步，现代逆变电源不仅要达到稳压、稳频的基础需求，还得顾及小型化、轻量化以及环保性能等方面的问题，为了提升效率并减少能耗，如今研发的重点已经转向了高功率密度且具备良好电磁兼容性的绿色逆变电源系统，在电力系统逐渐向智能化、网络化方向发展的进程中，对于逆变设备的功能集成程度和技术适应性也有了更严格的标准。所以，本研究重点放在了逆变器的电压闭环控制上，要做到对它输出电压频率和幅值的精确调整，这个策略对于创建模拟电网入口环境，给予稳定的交流电源来说，有着很大的理论价值和应用意义。本文主要研究内容本课题研究的对象是单相电压源逆变器，对比例谐振控制算法在单相逆变器控制中的应用进行了深入的研究，研究内容主要包括以下几个方面：第一章本文把比例谐振控制算法当作研究对象，论述它的学术背景和研究价值，还要梳理逆变器主流控制策略的发展情况，对全文结构做概括，第二章仔细剖析单相逆变器的基本原理和设计要点，包含拓扑结构，数学建模，滤波参数改良以及SPWM调制技术的达成办法，第三章重点探讨比例谐振控制理论的架构特点和核心思想，给出具体的实施办法，第四章集中讨论单相逆变器控制系统仿真研究，首先证明Matlab仿真环境的重要作用，接着详细叙述系统搭建过程，参数设置手段和程序开发步骤，最后借助实验来验证方案是否可行并加以分析，第五章总结比例谐振控制体系的研究成果，还要对它的未来走向作出预估。

单相逆变器的基本理论单相逆变器的拓扑结构逆变电路及其原理把交流电（AlternatingCurrent，简称AC）转成直流电（DirectCurrent，简称DC），这种操作叫做整流，反过来就是逆变，逆变电路跟电网怎么连着，逆变就分两类，一类是交流端接电网系统的，叫有源逆变，另一类是交流端直接连负载设备的，叫无源逆变，逆变器作为直流变交流的关键装置，主要由逆变桥电路，控制逻辑单元和含有滤波功能的负载部分构成。逆变器的分类逆变器由于具有多种不同的功能特性，所以在工程领域以及日常生活中都有广泛应用，像空调系统、家庭影院这些设备当中都包含有逆变电路，依据具体使用场合的不同，可以划分成常规型逆变器、集成化变流/充电逆变器、邮电通信专用逆变设备、航空航天与军事用途定制逆变装置等等种类，从输出波形特征上来看，则有方波型逆变器、阶梯波型逆变器以及正弦波型逆变器等，即使波形相同的情况下，电路设计原理、元器件选取和控制手段等方面也会存在很大差别。依照逆变主电路结构的不同，模块化设计呈现出多样化的分类特性，从换流方式角度出发，可划分成器件换流、电网换流、负载换流及强迫换流这四类，以输出直流电源属性为标准，又分为电压型与电流型两种形式，按输出相数区分，则一般可分为单相和三相两种类型，鉴于本文的研究重点，接下来会进一步探究逆变器的主要工作机理，并且着重剖析单相电压型逆变器的技术特征及其应用特性。逆变器的工作原理图2.SEQ图2.\*ARABIC1基本逆变电路及其波形图首先以图2.1(a)中的桥式逆变电路为例，分析其核心运行原理，此电路由四个桥臂(S1、S2、S3、S4)组成，每个桥臂含有IGBT或者MOSFET之类的功率半导体器件及其对应的辅助电路，这些辅助电路大多承担着信号驱动与放大的任务，还有电流限制和过流保护等职责，当开关设置成S1和S4导通而S2和S3处于关闭状态的时候，直流母线电压ud经过路径S1-负载-S4形成一个闭合回路，在这种情形下，负载端输出的电压u0就会是正值；相反地，如果把开关调整为S1和S4关闭，S2和S3导通，那么ud就会通过S3-负载-S2这条路径流通，从而使得输出电压u0变成负值。如图2.1(b)，在上面所提到的开关交替导通模式下，负载两端可以得到交流输出电压波形，而且经研究发现，只要对两组互补开关组合，也就是（S1，S4）与（S2，S3），的切换频率加以调节，就能达到对输出交流电频率的有效控制目的。由于负载特性的差异，负载电流i₀与电压u₀有着不同的变化规律，在纯电阻性负载条件下，i₀与u₀的波形形态完全相同，两者之间存在着严格的线性比例关系，如果把电阻设为R，那么它们的相位差就为零，在电阻与电感共同构成的阻感性负载情形之下，i₀相对于u₀会存在相位滞后的状况，而且两者之间的波形形状也不再相同，其具体表现可参照图2.1（b）中所标示的i0与u0波形示意图，假设在t1时刻之前，开关器件S1和S4均处于导通状态，此时u₀与i₀均为正值，而在t1时刻，若切换到S2和S3导通并切断S1、S4之后，u₀的极性就会迅速变成负向分布。由于电路负载中电感元件对于电流具有固有的特性，因此i0的极性不会发生改变，依然保持原有的方向，此时负载电流从直流电源负极流出，经过开关S2，负载，开关S3回到正极，形成闭合回路，在这个过程中，负载电感把储存的能量释放回馈给直流电源，导致i0逐渐减小，直至t2时刻降到零，越过零点之后，i0开始反向递增，然后断开开关S2，S3，闭合开关S1，S4，再次重复上述过程。按照电路特性划分，直流侧选用电压源形式的逆变器就归类为电压源型逆变电路，直流侧用到电流源的逆变器则被称为电流源型逆变电路，联系图2.2电压源型逆变电路的结构，可以发现它具有以下明显的特点，直流侧安置大容量电容充当滤波元件，所以输出电压稳定，输出阻抗比较小，正常工作时，交流侧输出的电压波形接近标准正弦波，而且包含的谐波不多，负载发生动态改变的时候，此电路具备较强的调节能力，能够迅速作出反应并保证系统的稳定运行。当直流侧电压Ud取恒定值时，可认为直流侧电压Ud是一个理想的电压源，大电容C的存在可以极大的降低直流侧电压的波动，从而使得直流侧具有更好的电压源特性，最终使得整个直流回路呈现低阻抗的电气特性。在交流侧采用电阻R和电感L构成阻感性负载，因为要消耗无功功率，所以将电容C放置在直流侧不仅可以提供电压支撑，还可以起到储存无功能量、缓冲无功能量的作用。开关器件并联的反馈二极管可以形成一个续流通路，从而使交流侧反馈到直流侧的无功能量得以释放。图2.2单相全桥电压型逆变电路图单相逆变器控制系统的数学模型图2.3单相全桥逆变器结构图图2.3给出了全桥逆变器的主电路架构，由电感L、电容C形成的滤波环节主要用来抑制桥臂输出电压中的高频谐波分量，为了反映实际工况中存在的一些非理想因素，比如开关管导通压降、线路寄生电阻等，加入了等效电阻模型来进行表征；Ud是直流侧输入电压，Vo代表桥臂输出电压，而Vc则是滤波电容两端的电压，也就是整个系统的最终输出电压；i1代表电感电流动态特性，io代表负载端的实际输出电流。在逆变器的建模过程中，为了提高逆变器对负载动态变化的适应性，可以将输出电流看作是系统的外部扰动变量，从而进一步改善控制算法的鲁棒性。逆变桥中功率开关管只能处在“导通”、“截止”两种离散状态之间，这使得逆变器属于典型的非线性动态系统。当单个开关周期内，开关器件处于稳定开通或关断时，其内部特性呈现线性特征，因此整个逆变器系统可以被视作分段线性系统。在理论研究与工程应用当中，一般利用状态空间平均法来建立逆变器的数学模型，这种方法的前提是系统开关频率远大于信号带宽，也就是截止频率。对于图2.1所展示的单相逆变电路来说，它的截止频率大致等于LC滤波环节的固有截止频率，而且这个值远小于高频开关工作频率，所以可以认为它完全符合采用状态空间平均法建立模型的基本假设条件。用Sa、Sb给出各个桥臂的开关函数，用表示桥臂上管导通，下管关断的情况，而则表示桥臂上管关断，下管导通的情况。采用双极性SPWM调制方式时，T1和T4同时运行（同时开通或关断），T2和T3也如此，这样就可以得出相应的表达式。在这种情况下，逆变器的输出电压可以确定下来:(2.1)图2.4单相PWM逆变器主电路框图根据逆变器开环系统框图，输出电压不仅受到电感电流的影响，还会受到负载电流波动带来的扰动，电感电流的变化同时会受到电容电压变化的约束，在这种情况下，对于输出电压或者电感电流来说，负载电流和电容电压都是外部的干扰。单相逆变器的滤波器参数设计逆变电路设计过程中，若想提升输出波形质量，则常常要借助LC低通滤波器来削减开关频率附近区域的高次谐波成分，从理论角度讲，该滤波器的截止频率应当远小于开关频率，通常设定在十分之一到五分之一之间，这样才能达到对高次谐波实施有效衰减的目的，在空载状态下，LC低通滤波器会在某个特定频率点产生谐振现象，此时其峰值增益大约为20dB，这会造成控制器带宽受到限制、系统动态响应缓慢且输出电压波形明显发生畸变等问题，并且还会致使负载电流中的低频谐波具有较大的等效输出阻抗特征。从减小逆变设备总体积和减小输出阻抗的角度出发，设计时常倾向于采用较小的电感值，但是电感参数过低会导致电感内部的谐振效应增强，从而给系统的稳定性和性能带来不良影响，在实际的工程实践中，正确地选择电感L和电容C的参数组合是至关重要的。二阶系统的阻尼比与增益、相位特性之间不存在线性关系，低频区域里，系统对于电感L以及电容C参数变化的敏感度不高，电感L和电容C大多用来调整系统的谐振频率，于是在中高频段对幅值及相位特性有着明显的影响力；但在低频状态之下，这些参数变动对幅值与相位的影响比较轻微，当研究模型低频特性时，往往可以把电感L以及电容C的参数波动当作次要因素而不予考虑。单相逆变器的SPWM调制技术SPWM逆变器基本理论基于采样控制理论的分析显示，惯性环节如果受到的冲量相等但波形不同的窄脉冲的激励时，其输出的响应趋于一致，这里的“冲量”就是窄脉冲信号的面积或积分值。PWM控制技术本质上就是基于面积等效原理的，也就是在对各个输出波形做傅里叶变换之后，发现除了高频分量存在差异之外，其他频域特性的相似度非常高。如图2.5所示，把正弦波的半周期分成N个等分，这样就形成了一个有N个脉冲的序列，从图形上可以看出来，每个脉冲的宽度是π/N，而且每个脉冲的高度与它所在位置的正弦波的幅值相对应，所以各个脉冲的幅值会按照正弦规律发生变化，根据采样定理，用等幅但宽度不同的小矩形来代替上面所描述的那种窄脉冲，并且保证这些矩形的面积和对应正弦波片段的面积相等，这样就形成了一种脉冲宽度按照正弦规律分布并且和原始正弦波等效的PWM波形，也就是SPWM波形。图2.5SPWM波基本原理图图2.6是一组利用SPWM技术的全桥逆变电路，以S1为主来形成单相全桥拓扑，输出电压被称作U0，经过低通滤波器（包括滤波电感Lf和滤波电容Cf）之后，可以有效地削减桥式逆变电路中出现的高次谐波成分，在信号产生时，往往选用等腰三角波Ur充当载波，而正弦波Ucsinwt则作为调制波，二者通过幅值比较的方式得到SPWM控制信号。图2.6基于SPWM波调制的全桥逆变电路SPWM波调制方法主要分为双极性与单极性两类。双极性调制模式如图2.7所示，三角载波是全波，包括正负幅值，每个周期内脉冲输出只有两种电平±Ud，开关器件的触发时刻由三角载波与调制信号的交点决定，在同一周期内，各个功率开关元件按照相同的控制逻辑来导通或关断，当ur>uc时，闭合S1、S4并切断S2、S3；若i0为正，S1、S4工作；若i0为负，VD1、VD4工作，此时输出电压u0=+Ud；反之，当ur<uc时，根据电流方向切换到VD2、VD3的工作模式，使输出电压保持在-u0=-Ud。这种调制策略凭借简单的规则取得了很好的效果，具有很强的实际意义。图2.7双极性SPWM波调制SPWM全桥逆变器控制策略图2.3显示了单相全桥逆变电路的基本拓扑结构，虽然实际使用中的负载不同会使得对逆变器的需求有所不同，但是其基本控制目标是一致的，即保证逆变系统输出波形的稳定、低谐波失真，以及具有良好的动态响应和静态特性。在开环控制策略下，空载时由于等效阻抗较低，输出电压容易产生较大的振荡，很难有效地抑制超调现象，从而使系统的稳态性能大幅度下降。如果为了提高带载能力而减小滤波电感，那么负载突变就会引起电压和电流的瞬时波动，从而使得输出波形的谐波含量增加，同时也会降低系统的收敛速度，这说明开环控制策略下的动态性能也是不够好的。为了适应各种复杂的工况条件，改善逆变电源的综合性能，逆变电源需要采用闭环控制策略才能达到更准确的控制目标。双环控制策略属于逆变器调控里既有动态又有稳态性能优点的方案，它的主要特点就是系统存在内外两个闭环结构，内环控制的主要任务是通过提升开环增益和拓宽带宽来改善系统的动态响应特性，外环控制的重点则是保证系统运行稳定，并达成精确的输出调节功能。当前，双环设计思路在逆变器控制方面占据着重要位置，而且，内环反馈信号的选择也极为关键，传统方法给出了两种典型选择，一种是以滤波电感电流作为反馈变量，另一种则是以滤波电容电流当作参考依据。如果选用滤波电容电流，因为这种电流对输出电压变动有着微分性质，所以可以采用超前校正手段，从而更好地应对瞬态扰动，并对可能产生的偏差预先予以补偿，而如果选用了滤波电感电流，那么不仅可以敏锐察觉到负载侧电压的波动情况，而且还能做到过流保护，进而保证设备安全可靠地运行。根据上面的对比分析，最后确定采用滤波电感电流作为内环的反馈信号，以负载端电压作为外环的反馈信号。单相逆变器的比例谐振控制技术单相逆变器控制系统的结构单相逆变器控制系统结构介绍逆变器并联系统当中，各个模块是基本组成单元，对于系统稳定运行有着决定性意义，本文所设计的逆变器模块采取电压-电流双闭环控制架构，电流内环主要目的在于提升系统的动态响应性能，电压外环则着重于改善输出电压波形品质，从而保证整个系统具备较高的输出精度和运行稳定性。传统双闭环控制策略的达成往往包含滞环控制器、重复控制器以及PI控制器等调节器种类，滞环控制器对开关频率、负载特性以及环宽设定等系统参数变动比较敏感，它的抗干扰能力和交流信号跟踪性能都有欠缺，重复控制器可以达到较高的稳态精度，不过由于要经历一个周期的时间延迟，所以动态响应速度受到了很大限制，传统的PI控制器依靠有效值反馈来运行，虽然能保持输出稳定，但很难消除交流信号里的静态误差，加大积分作用也许会造成相位偏移或者过调现象，提高比例增益则会使控制精度下降并且容易诱发振荡状况，急需一种既具备无静差跟踪能力又拥有良好动态特性的新控制方案，从而改善逆变系统的总体设计并改进逆变电源的输出品质。单相逆变器控制系统结构在构建双闭环控制系统数学模型的时候，逆变器双环控制策略主要包含两种典型的结构：电容电流内环加电压外环控制，电感电流内环加电压外环控制。前者能很好地改善输出电压的动态响应性能，但是由于缺少对负载电流的反馈机制，因而不能对逆变器输出的电流实施有效的控制和约束，而后者采用在内环加入电感电流回路的方式，弥补了前者所存在的缺陷，并且可以准确地调整输出电流，然而其对于负载扰动的抑制效果却稍逊一筹。如图3.1所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC1LC滤波器的简化传递函数框图基于此，这部分等效成一个滤波环节，其负载电压u0是输出，负载电流i0是扰动输入，其传递函数形式由式（3.1）给出。(3.1)根据上述架构，建立电流内环、电压外环的双闭环控制系统并绘制出相应的系统框图，在此系统中Gv、Gi分别代表电压外环和电流内环的传递函数，其设计方法具有一定的普遍性，不受特定系统模型的约束条件限制。图3.SEQ图3.\*ARABIC2双闭环控制系统方框图在图3.2为了提高系统对负载扰动的抵抗能力，采用了负载电流前馈控制策略，设计了以电感电流为内环、电压控制为外环的通用控制系统结构，如图3.3所示。图3.3引入负载电流前馈的双闭环控制系统方框图比例谐振控制技术的基本思想谐振控制器设计的关键在于内模原理，其主要思想就是把外部输入信号的动力学数学模型纳入到控制系统当中去，这样就能搭建起具有高度反馈精度的稳定结构。为了达到优良的跟踪表现以及对干扰的抵抗能力，而且还要保证误差调节机制在结构上保持稳定，这就要求在闭环回路里添加一个刻画外界激励信号动态特性的“内模”模块，对于交流信号的无静差跟踪问题而言，可以考虑采用形如s/(s²+ω²)或者ω/(s²+ω²)这样的余弦/正弦模型来解决，这些传递函数在某些特定频率下会给予无限大的开环增益，这样就极大地放大了那些微小的偏差，进而增强了对即时追踪过程中的精准程度，最终达成零稳态误差的输出效果。图3.4两种模型的幅频特性曲线如下图所示，由图可知，在谐振频率处，理论上分析增益应该趋向于无穷大，但受到仿真步长和截断误差的影响，实际值表现为有限大。在非谐振频率区间，系统的增益会显著下降。由此可以推测，使用这两种结构设计的谐振器都可以满足系统对于零稳态误差的要求。图3.4两种谐振环节的幅频特性比例谐振控制器依靠αβ坐标系来构建数学模型，它的主要控制思想在于对交流域内某特定频率的精确控制，这个控制器采用恒定的工作频率，它着重于对目标频率信号的幅值加以调节，却没有办法去改变该信号的相位特性，它的典型结构可以参照图3.5所示的示意图布局。图3.4控制系统结构框图(3.2)Em(t)误差调制信号，交流域的PR控制器从直流域PI控制器演变而来，它主要的功能定位是跟踪某一个谐振频率的交流信号，具有接近于零的稳态误差；而PI控制器主要功能定位是跟踪直流信号或者等同于零频率的交流信号，处理某些信号时可能会出现非零的稳态误差。对整流性负载特性分析可知，逆变器输出电压存在6n±1次谐波分量，若要消除这种谐波干扰，则需要采用多路谐振控制器共同起作用，该控制器的控制传递函数可参考式（3.3）。(3.3)比例谐振控制技术的实现方法由于控制周期比较短，如果采用传统的PID控制器，那么环路增益就比较低，这样就会使得系统存在明显的稳态误差，而且输出性能也比较慢。为了改变这种状况，在现有的瞬时值控制系统的基础上加入幅值环调节以消除静态偏差，但是幅值环的响应速度比较慢，这就对系统的动态响应能力有一定的影响。根据上述分析，本研究采用谐振控制器保证单相中频逆变器输出稳态和动态性能达到较优水平，根据内模原理设计的谐振控制器，其在控制结构中加入与期望指令信号同频率的正弦波模型，从而可以实现对正弦信号零稳态误差的跟踪控制效果。(3.4)(3.5)式3.4式3.5在2种典型谐振控制器的传递函数中，在谐振频率点上具有无穷大的增益，并且对非谐振频段信号具有很强的抑制能力，在谐振频率处，该类控制器会产生180°的相位滞后。通常选择式3.5表示的控制器结构来实现控制目标。在伺服控制理论方面，谐振控制器也取得了重大突破。理论上讲，静止坐标系下的PR控制器与旋转坐标系下的PI控制器补偿网络是等效的，在相同的带宽下有着相同的频率响应（见图3.6），相比于d-p变换，PR控制器不需要Park变换，可以减少数字处理时间；PR控制器可以处理任意交流信号，对低次谐波分量进行精确补偿，特别适用于单相和三相系统中一些特定的应用场景，如不间断电源、并网逆变器等运行工况比较稳定的系统。图3.5PR控制器与旋转坐标系下PI控制器的等效框图为了更好的对控制器参数进行设计，我们选用式3.5作为PR控制器的传递函数模型。由图3.7、图3.8理想谐振控制器及其比例形式的伯德图可以看出，谐振频率ω0是由系统本身决定的，Kr是谐振控制部分的增益系数，Kp是比例环节的增益大小。(3.6)图3.6理想谐振控制器波特图图3.7理想比例谐振控制器波特图

基于Matlab/simulink的直流无刷电机仿真设计Matlab/simulink仿真介绍作为机电系统数字孪生技术的先行性工具链，MATLAB/Simulink的发展过程映射出工业仿真领域的范式转变，它不再局限于传统仿真软件的功能范畴，而是构建起从数学建模到物理仿真再到硬件部署的全生命周期支撑体系，在直流无刷电机驱动研究领域，MATLAB/Simulink凭借三次关键性技术更新强化了自身在行业的主导地位：建模维度扩展：自上世纪80年代初期以传递函数为根基的线性建模法作为开端，慢慢形成起包含IGBT开关损耗，永磁体退磁效应等诸多要素的非线性多物理场耦合模型（通过Simscape工具达成），其验证形式持续革新：由上世纪90年代的传统离线仿真逐渐发展成2012年利用Real-Time模块执行的硬件在环即时检测，后来又提升为依靠云端架构的数字孪生协同验证平台，而设计流程也随之改变：由原本的瀑布式开发形态向“模型推动工程”（Model-DrivenEngineering,MDE）转变，凭借自动生成代码技术做到了控制算法从模拟环境到DSP芯片布置之间的无间断过渡并有效转移。MATLAB把“矩阵运算符号化”当作核心设计思想，在无刷电机控制领域表现出明显的技术长处，三相电流的克拉克变换可用简单的矩阵乘法直观体现，其代码表现与数学模型高度吻合，不但大幅缩减了算法开发难度，而且达成“所见即所得”的高效编程成果。MATLAB/Simulink的工程应用意义蕴含在多层次技术架构设计之中，通过“数学抽象—物理建模—系统集成”三者协同作用，实现从元件微观特性到系统宏观行为的跨尺度仿真分析。单相逆变器电压控制系统的仿真模型本文使用Matlab/simulink软件搭设了单相逆变器控制系统的仿真模型。此模型可以实现单相逆变器电压波形控制的仿真，包含了单相桥式逆变器构成的主电路，电感、电容器件构成的滤波电路，起到隔离和变压作用的变压器，以及代替实际负载的电阻性负载，控制电路由s函数完成，更加的快捷高效。图4.SEQ图4.\*ARABIC1单相逆变器电压控制系统的仿真模型系统主电路单相逆变器控制系统主电路包括了直流电源、电能变换装置、滤波器、变压器等。其中起到电能变换的电路是本系统的电源变换主电路，采用单相全桥逆变器构成，实现直流电向交流电的转换。直流电源在实际生产中是通过交流电源整流装置，以及后级的容性滤波器构成，本文的仿真中用直流电源代替。如图4.2所示为直流电源，实际应用中，直流电源，既可以由电网提供的正弦交流电源经整流器实现AC/DC产生，也可以采用蓄电池产生，就像电动汽车蓄电池由数量庞大的单节电池实现。当采用电网电源产生时，先经过隔离变压器升高电压，再经不控型二极管整流电路，输出的直流电源通过容性滤波器，得到稳定的直流电压。随着技术的发展，直流电源也可经PWM整流器实现。前端的整流并非本文研究的核心，故此处使用模型提供的直流电压源。直流源的电压设定为500V。图4.SEQ图4.\*ARABIC2单相桥型电压源逆变电路中电源模块需要注意的是，全桥电路在调制波归一化处理时，需要除以直流电压，而半桥式结构需要除以0.5乘以直流电压，在仿真控制电路搭建的时候需要确保正确。如REF_Ref10571\h图4.3为单相逆变器控制系统主电路。主电路输入端接50伏特直流电源，右侧三相桥式逆变电路由四个开关器件构成，开关器件采用IGBT。作为电压驱动型开关器件，IGBT可以实现电压直接驱动，在仿真中不需要再搭建驱动电路，且都反并联反馈二极管，符合逆变电路纵向换流方式。图4.3单相逆变器控制系统主电路电路中4个IGBT的开关通断通过SPWM功能实现，本仿真将通断逻辑集成再s函数内部实现，原理与模块搭建一致，也是采用构建三角波，再通过三角波与调制波对比来实现。在s函数中，SPWM的产生参考了数字处理芯片的逻辑，产生计数量和比较量，对二者进行比对，输出0和1的驱动信号。图4.4SPWM的实现通过比较调制波的值与三角波的值，产生四个开关器件的导通值。控制器计算出的调制信号作为正调制信号，与三角波进行比较，当正弦波大于三角波时输出1，作为VT1的控制信号，将其取反作为VT2的控制信号，正调制信号为第一桥臂的VT1和VT4提供导通和关断信号，取反措施则决定了一个桥臂的两个器件不可能同时导通，导致直流电源短路，也不会同时关断，失去信号。控制器计算出的调制信号取反作为负调制信号，与三角波进行比较，当正弦波大于三角波时输出1，作为VT3的控制信号，将其取反作为VT4的控制信号，正调制信号为第二桥臂的VT3和VT4提供导通和关断信号，取反措施则决定了一个桥臂的两个器件不可能同时导通，导致直流电源短路，也不会同时关断，失去信号。图4.4是LC滤波器中的电感参数，考虑内部的寄生电阻，将参数设定为：电阻0.1欧姆，电感是200×10-6H。图4.5LC滤波器中L模块图4.5是LC滤波器中的电容参数，电容是260×10-6F，电感和电容共同构成LC滤波器，经过计算本文设置的滤波参数可以对50Hz及其3、5、7次谐波进行很好的抑制，同时设置寄生电阻环节，更加接近实际情况。图4.6LC滤波器中C模块图4.6是起到变压和隔离作用的单相变压器，考虑的调节的方便，将其设定为只隔离不变压的作用，选择容量为33kVA，额定频率设定为50Hz。图4.7单相桥型电压源逆变电路的变压器图4.7是本文所搭建的仿真模型的负载，以电阻性负载作为负载扰动量，可以很好地模拟实际应用中出现的负载影响，这里设定为2欧姆，按照标准的正弦波输出电压，此台单相逆变器的功率约为24kW，这个数量级的负载，已经可以视为较大的负载。图4.8单相逆变器负载系统控制电路在Matlab/simulink中，控制电路既可以通过模块搭建，也可以方便地使用s-function实现，本文所搭建的仿真模型通过s函数实现。根据软件的介绍，用户可定义s函数，可以用C、MATLAB（一级）和Fortran编写，并且必须符合S函数标准。在函数中，变量t、x、u和flag由Simulink自动传递给S函数。您可以在“S函数参数”字段中指定其他参数。如果S函数块需要额外的源文件来构建生成的代码，请在“S函数模块”字段中指定文件名。使用s函数时，仅输入文件名，不可以使用扩展名或完整路径名。控制系统的构成和顺序如图4.8所示，控制系统由数据初始化，数据更新模块，以及数据输出模块构成，每一个仿真步长，系统都需要从头开始执行一遍函数。控制系统的实现主要在数据更新模块完成，首先进行各种参数的设定，比如比例谐振控制数据，参考电压数据，开关频率数据等，然后设定了一个计数器作为开关周期的参考，当计数器达到一个开关收起所占的步长值时，进入控制器。每一个开关周期进行一起控制器运算，所以从主电路看出，对逆变器的控制也是一个开关周期进行一次。图4.9控制系统流程如图4.9所示为控制器的实现框图，参考电压为数据设定值，有效值220V，幅值311V。在外部的电压控制环中，将逆变器输出的电压与参考电压做差，得到的电压差值进入比例谐振控制器进行运算。比例谐振控制器输出的值为电流内环的电流参考值，该参考值减去电感电流的反馈值得到电流差值，对电流差值乘以比例系数后，就可以作为SPWM的调制波信号。图4.10控制系统流程在数据更新环节的最后进行了三角波信号的生成，该环节需要s函数中的变量x作为数据的传递，所以不可以放在输出模块。最后在数据输出模块，完成了SPWM的最终实现，通过调制波和三角波的对比输出四个开关器件的控制信号生成。生成方式如图4.3所示，分别展示了数据更新环节的三角波生成和数据输出环节的比较。控制系统产生的开关器件驱动信号，驱动三相全桥逆变电路运行，产生基波为正弦波的交流电压。仿真分析在仿真模型搭建完毕后，本小节进行仿真分析。（1）验证主电路逆变器VT1-VT2-VT3-VT4的开关导信号复合要求。图4.11开关导信号（2）验证参考电压和输出电压，在比例谐振控制下，单相逆变器的输出电压能具有良好的输出能力，较小的稳态误差。图4.12单相逆变器的输出电