（系统工程专业论文）车载逆变器的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本文简要介绍了现代逆变技术的概念、分类及现代逆变系统基本结构。然 后详细描述了车载电网中逆变器的功能实现和参数设计。根据这些技术指标提 出了逆变器系统设计的整体设计。 本文重点对车载逆变器进行研究，将逆变器分为逆变电路、控制系统和滤 波电路三个主要部分。 逆变桥采用三相全桥逆变电路，为了简化整个逆变主电路的设计，逆变电 路采用了将i g b t 单元、驱动电路、保护电路等结合在一起的p m 。 控制系统由控制调节器，校正环节和时间比例控制及脉冲形成环节构成。 控制系统中脉冲形成环节采用s a 4 8 2 8 和a t 8 9 c 5 1 产生逆变电路所需的s p w m 波形。在传统p i 调节器和同步p i 调节器的研究基础上，将一种新的调节器， p + r e s o n a n t 调节器，引入逆变电源控制系统的控制调节器环节。这种新的 p + r e s o n a n t 调节器对于单相或三相系统都能完全获得与同步p i 调节器相同的 稳态和瞬态特性。随后对几种调节器进行分析和比较，从而推导出a c 补偿系 统的传递函数。在a c 补偿系统传递函数的基础上采用经典控制理论对它进行 了稳定性分析。对整个逆变系统进行了数学建模，研究了其控制系统中的校正 环节从而完成了整个控制系统的研究。 在研究单级l c 直流输入滤波器的基础上，为了限制滤波器的瞬态谐振峰 值采用了可控谐振阻尼两级l c 直流输入滤波器；在常k 型r 型低通输出滤波 器基础上，论述了如何抑制扰动振荡谐波从而得到了可控谐振阻尼l c 输出滤 波器。 本文主要采用p i s p i c e 和m a t l a b 仿真的手段，研究了车载电网中逆变器的控 制调节器和滤波电路，通过仿真研究，验证了理论分析的正确性。 关键词：车载电网s a 4 8 2 8 a t 8 9 c 5 1i p mp i 调节器 p + r e s o n a n t 调节器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e c o n c e p t c l a s s i f i c a l i o n a n d s y s t e m s t r u c t u r eo fm o d e mi n v e r t e ra r e r e v i e w e d 嘶e f l y , a 玎dt l l ef u n c t i o nr e a l i z a ：d o na n dd e s i 醇d 锄砌e t c r so ft l l em v e r t e r o nv e l l i e l ep o w e ra r ed e s c r i b e d 访d e t a i l _ b a s e du pw h i c l l t l l ei n v e r 屯e 薯s y s t e md e s i 髓 i sp r e s e n t e d t h e d e s i 印o f 廿l e i n v e r t e rc 趴b ed i v i d e di n t ot h r e em a i n p a r t s ：t 1 ep o w e rs t a g e c i r c m t c o n t r o ls v s t c ma l 】df i l t e r i n gc i r c u i t t h r e e - p h 嬲eb r i d g em v e r t e rc i r e m ti sa d 0 恤e d ，i no r d e rt os i n 删yt 1 1 ed e s i g no f t l l ei n v e n e r ，i p m ，w l l j c hi n 唰e st l l ei g b t d r i v e rc i r c u i t p r o t e c tc i r c m ta n de t c ， i sa d o p t e d c o n t r o ls y s t e mc o i l s i s t so fp w m g e n 锄血gc i r c l l i t ，e o m p e n s a t i v ec i r c l l i t ，a i l d e o n t r o l r e g t l l a t o t h es p w mw a r ep u l s eg e l l e r a t i n gc i r e m to fm v e r t e ra d o p t s a 4 8 2 8a n da t 8 9 c 5 1 ，1 1 1t l l i sp a p e f ，b a s e do nr e s e a r e ho f 仃a d i t i o np ir e a l t o r 锄d s y n c h f o n o u sp ir e g i l l a t o r ，an e wr e g u l 砷0 r ，p + n a n ts t a t i o n a r yr e g u l a t o r ，i s a d o p t e d t om ec o n 拄o ls y s t e md e s i 印o fm v e 衄t b en e wp + r e s o n a n t f c g u i a t o rc a n 删e v em e s a m e 咖a d y s t a t ea n dt r a n s i e n tr , e r f o r m a n c cf o rs 缸g l e 趾dt h r e ep h a s e s y s t e m s 嬲as y n c h m u sp ir e g u l a t o rd o e s s e v e r a lr c g i l l a 协r sa r ea l l 啦y z e da f l d c o m p a r e d t h r o u g hw l l i c ht h et r a n s f c rf u n c d o no f 也ea cc o m p e n s a t i o ns y s t e ma r e d e f i v e d ，b 嬲c du po nw h i c hc l 嬲s i c a le o n 仃o lt l l 。0 r yi su s e dt oa n a l y z et l l es 3 ，s t e m s m b i l i 哆t h ec o n c t i o nc i r c u i to f t l l ee o n t a o ls y s t e mi sa l s os m d i e da n d 血ee o n t r o l s y s t e mi ss t u d i e dc o m p i e t e l v b a s e do nt h er e s e a r e ho f s i n g i e - s t a g bl ci n p u ti 1 1 r i n g ，i i lo r d e r t 0r cs t j f a i n 血e p c a kv a l l l eo ft r a n s i e n t l l a n c ew a v e ，d o u b l e - s t a g el ci n p u tf i l t e r i n gi sa d o p t e d w k l ef o rt h eo u t p u t 鼬r i n g b a s e d 明t l l er e s e a r c ho ft l l e 舢t a n tko ff t y p e l o w - p a s so u l d mi 1 1 r i n g ，t 1 峙m e t h o dt or e s 拄a i nh 啪s so i l 蜥o nr e s o l l a n c ew a v ei s d i s e a s e d ，t h ea 陇血雠l c dr c s o n f l t i l c ed a m pl co u l ：p mf i l t e r i n gi s 蒯e v e d p s p i c e 姐dm a t l a bs i m u 雠o na r ee m p l o v e di l lt l l e 阳p e r , t h es i m u l 撕o n r e $ u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i 也t h et h e o r ya n a l y s i sl 镐山协 k e y w o r d s ：v e l l i e l ep o w e r s a 4 8 2 8a t 8 9 c 5 1i p mp ir e g 幽o r p + r e s o n a n t 删舡0 r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 本章介绍了现代逆变技术中现代逆变器的概念、现代逆变器的分类、现代逆 变系统基本结构，并简单的阐述了本文的主要研究工作。 1 1 现代逆变技术的概述 1 1 1 现代逆变技术的概念 随着各行各业对控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用 电设备都不是直接使用通用的交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各 种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式，逆变电路是其中的主要 组成部分。 现代逆变技术是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、 现代电力电子技术、半导体交流技术、脉宽调制技术( p w m ) 、磁性材料等学科 基础之上的- - f 实用技术。现代逆变技术主要包括三部分内容：半导体功率集 成器件及其应用、功率交换电路和逆变控制技术。 1 1 2 现代逆变技术的分类 现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类 方式如下： 1 ) 按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。 工频逆变一般指5 0 - - 6 0 i - i z 的逆变器；中频逆变的频率一般为4 0 0 h z 到十几k h z ； 高频逆变器的频率则一般为十几k h z 到m h z 。 2 ) 按输出相数可分为：单相电路和三相电路。 3 ) 当逆变器电路输出的交流电能直接作用于负载时，称为无源逆变；凡输 出电能馈向公共交流电网时，则称有源逆变。 钔按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 5 ) 按功率器件可分为：半控型器件组成的电路和全控型器件组成的电路。 6 ) 按输出稳定的参量：可分为电压源和电流源两类。 7 ) 按输出电压或电流的波形，可分为正弦输出逆变和非正弦输出逆变。 8 ) 按控制方式，可分为调频式( p f m ) 逆交和调脉宽式( p w m ) l 煎变。 9 ) 按开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆交和定频 软开关式逆变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 3 现代逆变系统基本结构 我们知道，逆变的直接功能是将直流电变换成交流电。逆变系统的核心是 逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子的导通与关断，完成逆变的功 能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变 一个电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路( 或控制回路1 。 逆变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电路、输 入电路、输出电路等等，如图1 1 图1 - 1 逆变系统基本结构框图 下面我们对各个部分作一简单介绍： 1 输入电路 逆变主电路输入为直流电，可以是直流电网、蓄电浊贮存的直流电，或者 是直流发电机发出的直流电，此时输入电路包括滤波电路和e m i 电路；如果是 交流电网整流后获得的直流电，则除了滤波和e m i 电路外，首先还要有整流电 路。 2 输出电路 输出电路一般都包括输出滤波电路和e m i 电路，对直流负载的逆变系统还 包括输出整流电路。对于开环的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对 于闭环控制系统，输出量还要反馈到控制电路。 3 控制电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变器开关 管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电 路和逆变主电路同样重要。 4 辅助电路和保护电路 辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电 压。可以采用工频降压、整流、线性稳压的方式，或d c d c 变换器。 保护电路主要包括：输入过压、欠压保护：输出过压、欠压保护；过载保 护；过流和短路保护；过热保护。 5 逆变主电路 逆变主电路是由开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两类。 l ，2 本文研究的主要内容 本文对现代逆变技术进行了概述，根据磁浮列车中车载电网逆变器的技术 指标，提出车载电网逆变器的设计。 论文首先对上海磁浮线车载电网中的逆变器部分的技术指标作了详细的介 绍，然后根据实际情况，提出了逆变器的设计方案。为了缩短整个逆变器的开 发时间，采用了智能i p m 模块、数字p 删产生芯片s a 4 8 2 8 以及微处理器a t 8 9 c 5 1 来 完成逆变器控制系统中的脉冲形成环节。在传统p i 调节器的基础上，为了解决 传统p i 调节器的稳态误差，将一种新的调节器，p + r e s o n a n t 调节器，引入逆变 电源的控制系统设计。对整个逆变系统进行了数学建模，研究了其控制系统中 的校正环节，从而完成了整个控制系统的研究。由于车载电网中的逆变器作为 。= 次电源使用，其输入脉动直流电流污染了直流电源，这必然要影响到直流电 源的其他用电设备，为了使输入电流平稳化和谐波降低到允许值，必须设置输 入滤波器。逆变器的输出电压波形，除了基波分量外还含有谐波分量，为了使 输出电压正弦化和t h d 或单次谐波含量降低到允许值，必须设置输出滤波器。在 本文中，将对上面三个主要部分的电路原理图及实现进行详细的研究。最后对 输入和输出滤波的几种常见的电路进行分析和讨论，在单级l c 直流输入滤波器 的基础上，为了限制滤波器的瞬态谐振峰值，采用了可控谐振阻尼两级l c 直流 输入滤波器。在常k 型r 型低通输出滤波器基础上，讨论了如何抑制扰动振荡谐 波从而得出了可控谐振阻尼l c 输出滤波器，在理论分析豹基础上进行了仿真分 析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章车载逆变器的概述 2 1 车载电网的概述 正常运行中，一辆磁浮列车车载设备包括悬浮、导向、空调、照明控制、 通讯等，耗电功率约为1 6 0 k w 。列车运行时车载设备由车载电网供电，车载电 网向列车提供保证其f 常运行和故障运行时所需的电能。磁浮列车在高速运行 时与地面没有接触，为了在列车运行时向其提供电能，采用了如下的供电方案： 在列车速度低于1 0 0 k m h 时，磁浮列车通过安装在轨道上的直流供电轨( 直流供 电轨和车上的受流器接触供电】与列车自带的直线发电机联合对车辆供电( 速度 很低时，直线发电机发不出电能，此时由供电轨单独供电) ，当速度高于1 0 0 k m h 时，则完全通过安装在悬浮磁铁中的直线发电机发电，以满足车载设备的需要； 以车载蓄电池作为列车紧急或故障情况下的应急电源；在使用涡流制动器紧急 制动时，高速运行段电能由直线发电机提供，当较低速度直线发电机电能不能 满足制动需要时，则由蓄电池与直线发电机联合提供电能，紧急制动过程中不 使用供电轨的电能。 上海磁悬浮车辆中每一辆车的供电电网包括： 4 个独立的带蓄电池缓冲的直流4 4 0 v 电网 4 个独立的带蓄电浊缓冲的直流2 4 v 电网 2 个独立的三相交流2 3 0 v 电网 1 个外部动力轨电网 磁浮列车上主要有三种电压等级的电网，分别为4 4 0 v 直流电网、2 4 v 直流电 网、2 3 0 v 交流电网。列车上同时还使用了2 8 v 、1 5 v 、1 2 v 、5 v 几种电压等级的直 流电源，这些直流电源都是通过低压开关电源转换而来的。 直流4 4 0 电网为车辆豹主电网，每个容量为1 2 8 k v a ：直流2 4 v 电网为车辆的 控制电网，每个容量为1 6 k v a ；三相交流2 3 0 v 电网为车辆的辅助电网，每个容 量为7 1 6 k v a 。 4 4 0 v 电网的电源来自于直流发电和或4 4 0 v 动力轨；2 4 v 电网电源由4 4 0 v 电 网电源通过d c d c 变换产生；三相交流2 3 0 v 电网电源由4 4 0 v 电网电源通过三相逆 变产生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 车载逆变器的设计指标 2 2 1 车载逆变器的功能实现 一将4 4 0 v 电网直流电转变为频率为5 0 h z 的2 3 0 v 三相交流电； 一通过内部c a n 卡对逆变器的状态进行诊断，并将诊断信号传输到诊断系统( 车 辆诊断计算机) ； 一过流过压保护功能； 一欠压保护功能，只有在输入电压大于3 3 0 v 时逆变器才启动工作； 一内部带开关电源，向逆变器自身提供低压电源； 一有5 0 h z 定频和变频两种工作方式： 一位置辨识功能； 一通风机状态监测功能。 2 2 2 车载逆变器的设计参数 输入 舢电压：3 3 0 v d c 5 5 0 v d c b ) 最大输入电压：6 0 0 v d c + 输出 c ) 容量：有功功率：6 k w d 1 过载能力：1 4 0 大约3 0 s e 1 额定输出电流有效值：2 0 a f 1 频率：5 0 h z 鳓输出电压( 相电压) ：2 3 0 v ( 1 0 的裕量) 根据上面的技术指标，设计了相应的硬件电路。整个硬件电路分为逆 变电路和控制电路两个部分。本论文将在下面的两个章节对这两个部分进 行详细的研究。 2 3 车载逆变器中逆变电路的设计 电力系统中大功率电力电子装置采用的开关元件主要是晶闸管和g t o 。但 是，随着近年来双极功率晶体管及m o s f e t 的问世以及生产技术的成熟【3 】，这 些开关元件凭借自身优越的性能逐步替代了晶阐管和g t o ，并朝着节能、轻便、 小型化的方向迅速发展。i g b t - i p m i 4 10 n t e l l i g e n t p o w e r m o d e l ) 智熊化模块正是 其中的代表之一，它将i g b t 单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 中，极大地提高实际应用系统的稳定性。为了缩短整个设计的周期，简化设计 的难度，缩小装置的体积，我们使用了三相全控型桥式i g b t - i p m 4 1 ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d e l ) 智能化模块。 i g b t 智能模块的电路设计1 5 j 主要分为主电源部分和光耦外围控制部分。下 面分别对这两个部分的设计方法和需要注意的问题进行说明。 2 3 1 主电源电路 i g b t - i p m 模块有很多不同的系列，每一系列的主电源电压范围各有不同， 在设计时一定要考虑其应用场合的电压范围。6 0 0 v 系列主电源电压和制动动作 电压都应该在4 0 0 v 以下，1 2 0 0 v 系列则要在8 0 0 v 以下，1 5 0 0 v 系列应该在 1 0 0 0 v 以下，根据上述各值的范围，使用时应使浪涌电压限制在规定的值内， 且应在靠近p 、n 端予处安装缓冲器( 如果一个整流电路上接有多个i g b t 模 块，还需要在p 、n 主端子加浪涌吸收器) 。由于模块外部电压噪声的种类和强 度不同，加之也不可能完全避免误动作或损坏等情况。因此需要对交流进线加 滤波器，并绝缘接地，同时应在每相的输入信号与地( g n d ) 间并联1 0 0 0 p f 的吸收电容。根据逆变器的设计参数，我们选用了1 2 0 0 v 系列中的 p m l 5 r s h l 2 0 ，其电流可以达到5 0 a ，输出容量为7 5 k w ，达到所需的要求。 i p m 的电路图如图3 2 所示。 2 3 2 光耦外围控制部分 与主电源电路不同，外围控制电路主要针对单片机控制系统的弱电控制部 分。由于模块要直接和配电系统连按，因此，必须利用隔离器件将模块和控制 部分的弱电电路隔离开来，以保护单片机控制系统。同时，i g b t 模块的工作 状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以，设计一个优良的 光耦控制电路也是模块正常工作的关键之一，i p m 与光耦的连接图如图3 3 所 示。根据i g b t 的驱动以及逆变电路的要求，模块内部的i g b t 控制电源必须 是上桥臂3 组，下桥臂1 组，总计4 组独立的1 5 v 真流电源。 一般情况下，光耦要符合u l 、v d e 等安全认证，在这里我们选用安捷伦 公司的i p m 专用高速光耦。同时使光耦和i g b t 控制端子间的布线尽量短。由 于初级和次级常加有大的d r a r t ，因此，初、次级布线不要太靠近以减少其间 的耦合电容。在使用1 5 v 的直流电源组件时，建议电源输出侧的g n d 端子不 要互联，并尽量减少各电源与地间的杂散电容，同时还应该确保有足够大的绝 缘距离( 大于2 r a m ) 。光耦输入用的1 0 u f 及o 1 u f 滤波电容主要是保持控制电 压平衡和修正线路阻抗的稳定，其它地方的滤波电容也很必要。另外，控制信 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 号输入端与v 。端应接上拉电阻，在不使用制动单元时，也应该在输入端与v 。 端接上拉电阻，否则，d v d t 过大可能会引起误动作。上拉电阻的选取与所选 用的砷m 型号有关，在本设计中选用l o k 的上拉电阻。 图2 - 2 i p m 外围的电路图 一 图2 3 光耦的电路图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 本章总结 本章简单介绍了车载电网。然后，详细介绍了车载电网中逆变器的技术指 标：车载逆变器的功能实现，车载逆变器的设计参数及系统硬件的电路图。对 逆变电路展开了讨论，采用了三相全桥逆变电路。为了简化电路的设计，采用 了将i g b t 单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之中的1 p m 。并给出 了i p m 主电源电路的连接图及光耦电路的连接图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第三章控制系统的研究 在现代逆变系统中，控制电路和主电路同样重要，这两部分只有互相配合， 共同工作，才能构成完攘的逆变系统，两者缺一不可。逆变系统控制电路的设 计不仅受逆交主电路的形式、主开关管器件的类型和逆变工作频率的支配，而 且还取决于选取的功率变换技术的种类。逆变系统控制电路的设计应该包括控 制系统的性能设计和控制电路中各个电路环节的设计。对于现代逆变控制系统， 其主电路设计好以后，就可以得到其传递函数。一般的逆变控制系统的输出反 馈环节都是线性环节。除了以上环节之外，逆变器控制系统中的主要环节还有 控制调节器，校正环节和时间比例控制及脉冲形成环节。本章重点研究控制系 统中的这三个环节。 3 1 时间比例控制及脉冲形成环节 目前，逆变电源大多采用正弦脉宽调制，即所谓s p w m 技术。其控制电路 大多采用模拟方法实现，电路比较复杂，并且伴有温漂现象，这既影响精度， 同时也限制了系统的性能。以8 0 c 1 9 6 m c 或t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心组成的控制电 路，能实现电源的全数字化控制，但系统比较复杂，软件工作量大，研制周期 长。而m i t e l 公司生产的增强型s p w m 波产生器s a 4 8 2 8 ，可与单片机连接， 完成外围控制功能，使系统实现智能化。单片机只用很少的时问去控制s a 4 8 2 8 ， 因而有能力进行整个系统的检测、保护、控制等。基于上述原因，控制电路采 用s a 4 8 2 8 和a t 8 9 c 5 t 。 3 1 1 硬件连接方案 新型全数字s p w m 逆变器的控制系统是以8 位高性能微处理器a t 8 9 c 5 1 为核心，s p w m 控制发生器s a 4 8 2 8 血主体的一种微控制系统。控制系统的硬 件电路图如图3 - 1 所示。 该系统的主要功能部件和工作原理如下所述： 1 8 0 5 1 单片机内部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功 能部件相互独立而融为一体，集成在同一块芯片上。由于具有体积小、可靠性 高、功能强、灵活方便等许多优点，广泛应用于国民经济的各个领域，对各行 各业的技术改造和产品的更新换代起了重要的推动作用。 2 s p w m 控制信号产生电路。在本系统中采用大规模集成芯片s a 4 8 2 8 来产生三相p w m 信号，它提供了与8 0 5 1 完全兼容的8 位总线接口；输出频率 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 在0 - 4 k h z 之间连续可调；频率的分辨率可达1 6 位；载波频率最高可达2 4 k h z ； 可设置脉宽和延迟时间，每相的输出都是标准的t t l 电平，且有1 2 m a 的驱动 能力。s a 4 8 2 8 的内部结构如图3 2 所示。 图3 1 控制系统中脉冲形成环节硬件图 s a 4 8 2 8 的突出优点： ( 1 ) 连线简单，提供与微处理器直接相连的地址数据线、片选端、时钟输入 端等； ( 2 ) 可以单独的调整各相输出，以适应不平衡负载； ( 3 ) 内部集成了看门狗计时器，提供软复位控制； ( 4 ) 片内r o m 提供三种可供选择的波形，如图3 3 所示，每个波形各有1 5 3 6 个采样值。其中纯正弦波可用于静止逆变电源和单相交流调速，而增强 型波和高效型波用于三相交流调速。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 蜢t ) o 图3 - 2s a 4 8 2 8 的内部框图 疆o o 3 6 0 l i t ) o ( a ) 纯正弦波( b ) 增强型波( c ) 高效型波 图3 - 3s a 4 8 2 8 片内r o m 提供的波形 s a 4 8 2 8 可以提供高质量、全数字化的三相脉宽调制波形，并能实现精确 控制，以构成性能优异的逆变系统。该系统设计简单，控制电路使用器件少， 因而可降低成本、提高可靠性。另外，芯片提供的s e t t r i p 端在异常情况下可 越过c p u 的控制而直接关断p w m 输出，因而进一步提高了系统的可靠性。 3 1 2 软件设计 软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。从程序流 程图3 - 4 中可看出：单片机先将s a 4 8 2 8 复位，通过s a 4 8 2 8 内部的总线控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 向其初始化寄存器中写数据，完成载波频率、调制频率的范围、脉冲延迟时间 以及计数器复位的设置，在向其传送初始化参数和控制参数之后，s a 4 8 2 8 即可 输出p w m 波形。逆变器随后将处于工作状态，这时单片机不断查询输出状态， 实时地向其控制寄存器中写数据，实现对调制波频率、调制波幅值、正反转、 过调制、输出禁止等参数的刷新，从而使r p 髓、y p h b 、b p h b 、r p h t 、y p h t 、 b p h t 引脚上的信号发生改变，以便随时调整p 雕输出特性，以满足系统要求； 只要系统工作正常，看门狗定时器就不断被更掰，以防止其溢出而中断p l 帅, i 输 出。 控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制逆 变器的运行状态。通常在工作时该寄存器内容常被改写以实现实时控制。参数 是通过8 个暂存器、r l 、r 2 、r 3 、轧、r 5 、r 1 4 、r 1 5 来传送的，初始化参数 先被写入、r l r 5 ，然后通过对r 1 4 的写操作将参数送入初始化寄存器， 最后再将控制参数写入凰、r l r 5 ，并通过对r l ，的写操作将参数送入控制寄 存器。 图3 - 4 程序流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 控制调节器 控制调节器又叫误差放大器，有时也叫作补偿网络。控制调节器的类型主 要有：滞环、线性h 、可预测死区三种，进一步可分为静态a b c 和同步d q 补 偿i l ”。通常认为同步d q 调节器比静态调节器有较好的性能，这是因为同步 d q 调节器通过将直流信号作用于旋转参考系来获得零稳态误差【1 q1 1 5 1 。相 比之下，静态调节器对于交流调节器并不理想，因为静态调节器在这种参考系 f 有明显的静态幅值和相位误差。然而，同步调节器非常复杂，它需要将已测 的静态a c 电流( 或误差) 转化为旋转沈量，将合成控制量又转换回静态来实现。 如果同步调节器中的同步辨识不精确，这些转换将引入误差。 本章引用伺服控制系统中的理论1 1 6 1 ，将一种新的调节器，p + r e s o n a n t 调 节器，引入逆变电源控制系统中使用。这种新的p + r e s o n a n t 调节器对于单相或 三相系统都能完全获得与同步p i 调节器相同的稳态和瞬态特性【1 7 1 。本章将从控 制系统的观点来研究静态和同步调节器之间的关系【啪，从而获得具有零稳态误 差的静态线性p i 调节器，p + r e s o n a n t 调节器口9 1 。这种新的调节器除了具有好 的稳态性能外，还有更稳定和更优越的瞬态性能。这种调节器更明显的优点在 于它能应用到单相电流调节器，而同步变换器很难在单相电流调节器中运用。 3 2 1 同步p i 调节器 多数静态线性调节器系统的主要局限在于作用予交流量时它们不能消除 稳态误差。三相d q 同步p i 调节器通过将基带信息转化成能使用传统直流调 节器的直流来解决这个问题。同步p i 调节器如图4 5 所示，这种传统的线性控 制器，它的积分环节在直流条件下能提供无限的增益，因而能获得零稳态误差； 比例环节与频率无关，对同步p i 调节器的转换过程没有影响，它的位置可以根 据具体需要来确定。对于较小的积分增益，调节器的瞬态响应将主要由比例环 节来决定；而稳态响应主要由积分环节决定；因此两项可以单独来分析，仅当 我们讨论整个系统的稳定性时才将两者一起考虑。 三相系统的同步电流调节器虽然在文献中 2 2 馏矧已经有相当多的记录，但 很少有将同步电流调节器看成一种频率转换，鄹转换输入参考频谱为直流基带。 这类传统的混合补偿系统的优点在于使用了成熟的直流补偿方法来发展同步转 换功能，直流补偿方法比交流补偿方法的设计和构造要容易的多。缺点在于控 制系统中增加了一个解调器和调制器，从而增加了额外的复杂性和计算量，而 且还需要一个准确的同步信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图3 - 5 同步p i 调节器 我们用数学公式来定义单相难弦激励系统的基本解调。这种方法直接与三 相系统传统的p a r k st r a n s f o r m a t i o n 相关瞵】，它的基础是众所周知的频谱分析法 2 6 1 。信号通过参考正弦和余弦波形相乘，将这个频率下的所有谐波转换成直流 和两倍频率的形式： ( f ) ：) ( c ot ) ：x ( r ) e j ”d + e - j w d ( 3 - 1 x)cx ( tc o s ( c o o t 1 ( f ) = ) = x ( r ) i 一 ) (f)；)in(mot)：工(f)ep*d_e-jwdx(3一)sx ( t s i n ( c ot 2 ( f ) = ) ) = 工( f ) _ = _ 一 ( 3 一) 进行傅立叶变换，变为 l 爿：( c o ) 一【x ( + c o o ) + ( 埘一) 】 瓦( 国) = 寺一x ( c o + c o o ) + x ( c o - - c o o ) 】 假设工。( f ) = c o s ( c o 。f ) ，实部和虚部分别有直流和两倍频率的分量。如果这些信 号被低通滤波，输出信号变为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 i ( ) = 毒t ( o ) t( 3 3 ) 1 j ：) = 置( 0 ) z j 实部和虚部分别为相量和频谱的形式。 根据式( 3 一1 ) 一( 3 - 3 ) 定义的单相正弦激励系统基本解调概念设计的p i 调节器， 如图3 - 6 所示。积分器用来替代提取实部和虚部的低通滤波器，积分器实现积 分功能和滤出解调器信号中的两倍频率部分( 使用低通滤波器，将严重的降低整 个控制系统的稳定性，因为低通滤波器和积分器之间将有1 8 0 。的相位滞后) 。 图3 - 6 可以看成用p i 调节器的积分环节来代替混合调节器，如前面所提到的， 比例环节的位置在解调模块外对系统不产生影响【2 8 1 。 币弦信号 图3 - 6 解调单相积分模块 3 2 2 a c 调节器 静态邪调节器能获得零稳态误差并且能直接作用于a c 信号，这种技术在电 力电子系统中的应用不多，而静态a c 调节器已经广泛地应用在伺服控制理论 中。静态a c 调节嚣的原则就是将一个所需的d c 调节器转换成一个等同的a c 调 节器，并且两个调节器在相关的带宽中有同样的频率响应特性f 2 9 1 。 图3 7 中单相同步调节器在时域中可以表示为： 鞴然s i n 以( 。o 弘o t 篙) 辇s i n ( 国b o t 啪) 蚓 p + 【。o ) k o ) 弘 ” 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 这里的。表示卷积，目的是找到一个能和( 4 4 ) 有同样频率响应的z 。， ) ，但是 没有调制和解调过程。这种形式的系统可以由下式代替： 匕c ( s ) = 只 ( j ) 以c ( 5 ) ( 3 5 ) 将式( 3 5 ) 转换为时域形式 叱c ( r ) = e a c ( t ) * 九c ( ，)( 3 6 ) 。是基波频率。为了简化上述的表达式，我们作如下定义 ( ( ( f ) c o s ( o j o f ) ) 4 ，h 、u ) ；f l ( f ) ( ( f ) - s i i l ( ，) ) o ) ；五( r ) 拉普拉斯变换得 墨( s ) = ( 。0 ) c o s ( ，) ) 囊。( r ) ) = h o c ( s ) 。g ( e a r ( r ) - c o s ( a , o t ) ) = 去日w ( s ) e c o + f l o o ) + e a 。( s j w o ) 舅( j ) = f ( c ( f ) s i n ( c o o t ) ) * h d c ( t ) = 日d c ( s ) g ( e a c ( t ) s i n ( o 口o t ) ) = 姜曰。( j ) 只。( s + ，) 一e 。( s - j m o ) 式( 3 4 ) 中调节器拉氏变换后的数学描述分为a 和b 两个部分 a = 【( 。( f ) c o s ( n 0 0 t ) ) ( r ) 】c o s ( 吖) ) = g z ( f ) c o s ( o d o t ) = e ( s + _ ，) + f l ( s - j m o ) = 言( s + 鲰) ( s + 2 j c a o ) + e a c ( s ) ) + 去日w ( s 一鲰) 目c ( s ) + e c ( s 一2 j 6 0 0 ) m 却 哪 唧 仔 0 0 川 亘壹窒塑盔兰堕主塑塞生兰焦迨塞蔓! 璺垂 曰= 哪( 吒，( ，) - s i n ( 0 0 t ) ) h d c ( t ) s i n ( o ，o t ) ) = z z ( f ) 。s i n ( o j o t ) = 丢 e o + 问。) 一( o 一觑) ( 3 1 1 ) = 一月k 、o + 觑) e c o + 2 j o o ) 一( s ) ) + i 1h m 0 一，) 毛c ( s ) 一钇c 0 2 j m o ) a 和b 中均含有础和两倍频率的误差部分b c ( s ) n e a 。0 + j a j 。) 。 a 和b 相加得到 圪c o ) = a + 曰 = 去 2 【爿* ( s + 觑) + 月。( j 一鲰) 】 ( s ) ( 3 - 1 2 ) = f y 叠( s + m o ) + e ，f 。( s 一。，) 】只。( s ) 因此 h a c ( s ) = 寺【月。) c ( s + 。，) + 月矗( s 一，) 】( 4 1 3 ) 如果h a ，0 ) 是一个低通传递函数，变换后低通传递函数变成带通传递函数，或 将原来传递函数的频率变成频率国。 当参考信号的带宽与参考频率相比较窄的时候，将低通传递函数变换成带 通传递函数( 参考网络合成技术) ，由( 3 1 3 ) 可以得到： 月o ( s ) ：月。( s ) ( 兰三擘) ( 3 - 14 ) 由上述的数学推导可以证实，通过传递函数h 。o ) 来实现的静态控制器和 使用传递函数日。，( j ) 来实现的同步控制器有等同的频率响应。因此无论它们作 为a c 静态调节器来实现还是作为斑同步调节器来实现，两种控制器盼瞬态响应 是一样的。 a c 电流调节器的一个主要目标是获得零相位和幅值的误差。a c 补偿器是通 过将一个能实现零相位和幅值误差的出调节器转换成等效的a c 调节器来实现。 图3 7 是一个典型的出电流调节器系统，为了简化，仅采用一个简单的饱和增 益级模型来代替不对称的p w m 调节转换级牡0 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 正弦参考 电流传癌嚣 图3 - 7 电流调节p w m 逆变器模型 对于d c 系统，传统的p i 调节器传递皤数能完成所需的零稳态误差。参照 式( 3 1 4 ) ，一个等效的船补偿器有如下的开环传递函数 日。( s 产即等( 3 - 1 5 ) 日一c ( s 产砗+ i 巧2 k i i s ( 3 - 1 6 ) 我们注意到比例项定。可根据前面所讨论的，位于转换过程外。图3 8 所示为式 ( 3 - 1 6 ) 的b o d e 圈。我们观察传统的p i 开环传递函数式( 3 1 5 ) 中有两个参数比例 项芷。和积分项足，；而a c 补偿器开环传递函数式( 3 1 6 ) q b 不仅有与传统的p i 相 同的比例项k 。和积分项足，还多了一个基波频率甜。因此我们也称具有式 ( 3 1 6 ) 描述的开环传递函数的a c 补偿器为p + r e s o n a n t 调节器。 图3 7 中含有p + r e s o n a n t 调节器线性模型的闭环传递函数为： 荆= 而再h a c 瓦( s ) v 丽o c ( s 蕊r “瓦+ 1 丽) ( 3 - 1 7 ) 、 置+ 吐+ 日 c ( j ) f k ( j f z m + 1 ) 、 7 显然从( 3 1 7 ) 描述系统的闭环传递函数可以看出，基波参考频率处输出电压波形 没有相位和幅值误差，这是因为在这个频率下日。( 0 的幅值变为无穷大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 b o d epj o ! f r e q u e n c y 阳d s e e ) f f m q u 日n c y 口a d ，s b c ) 图3 - 8a c 调节器的b o d e 图 构建静态电流控制器的优点在于，不需要同步调节器所需的信号处理，降 低了噪音的灵敏度。为给定信号的频率，当输出信号频率在的时候，我 们可以看出h 。( s ) 的幅值变得无穷大，促使受控逆变电源输出的稳态误差为 零。可见，这种通过引入一个无限增益来减小稳态误差的方法是p + r e s o n a n t 调节器的一个特点，而不依赖于对电源系统参数的精确估计。因此比其它的状 态反馈方式更具有灵活性和有效性。相比于其他方式的同步补偿器，h _ r e s o n a n t 调节器不需要调制和解调的过程，所以需要的计算资源较少，而且对于单相或 三相同样适用。但是，在不同频率的应用，p + r e s o n a n t 调节器的谐振频率需要 调节到与所需的输出基波频率相符。 3 2 3 稳定性分析 3 2 3 1 简单的比例调节器的稳定性分析 在图3 7 中，如果所加的控制环节是一个简单的比例调节器。那么，整个 系统的开环传递函数为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 晰= 瓦寿警赢雨 ( 3 1 8 ) 我们用一个简单的单极点低通滤波器来代替电流传感器f 3 ”，它的截止频率 为1 0 0 k h z 。这部分对系统的幅频特性没有什么大的影响，但是所引入的相移对 系统的稳定性会产生一定的影响。其中， r = 2 0 f 2 ，三= 5 m h ，k p = 1 0 ，= 2 0 0 。 当k 。= 0 1 时，整个系统的开环传递函数的b o d e 图，如图3 - 1 0 所示。 b o d ep l o t 、 x 。 一- _ 弧 - f r e q u e n c y ( r a d e e c ) - i _ _ 弋 、 舷 f r e q u e n c y ( r a d s e c ) 图3 - 9 简单比例调节器系统的开环b o d e 图 从图3 - 9 我们可以看到，对于k v = 0 1 ，简单比例调节器系统的幅频交越 频率( 此处调节器的增益变得小于1 ) 发生处的相位裕量大于1 0 0 。出经典的 控制理论【3 甜，我们很显然能看出整个系统是稳定p 3 1 的。 3 2 3 2p + r e s o n a