电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术的仿真

1、目 录摘要1关键词11、 电流滞环跟踪控制原理22、 三相电流滞环跟踪控制系统的仿真5 1、建立系统仿真模型52、模块参数设置63、电路封装84、作图程序设计10三、仿真波形及频谱分析12四、仿真结果分析与总结181、仿真波形比较182、电流频谱分析比较193、相电压、线电压频谱分析比较194、总结19五、课设心得体会20六、参考文献21摘要：滞环控制是一种应用很广的闭环电流跟踪控制方法，通常以响应速度快和结构简单而著称。在各种变流器控制系统中，滞环控制单元一般同时兼有两种职能，一则作为闭环电流调节器，二则起着PWM调制器的作用，将电流参考信号转换为相应的开关指令信号。然而，滞环控制的开关频率

2、一般具有很大的不定性，高低频率悬殊，其开关频率范围往往是人们在进行滞环控制系统设计师比较关心的重要方面，只有明确开关频率的计算方法，才便于进行开关器件、滤波参数及滞环控制参数的选择。电流跟踪型逆变器输出电流跟随给定的电流波形变化，这也是一种PWM控制方式。电流跟踪一般都采用滞环控制，即当逆变器输出电流与给定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关状态，使逆变器输出电流增加或减小，将输出电流与给定电流的偏差控制在一定范围内。关键词：电流滞环跟踪PWM、闭环控制、滞环控制器HBC、环宽、电流偏差、开关频率、响应波形、频谱图1、 电流滞环跟踪控制原理常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（

3、Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的A相控制原理如1图所示。图1 电流滞环跟踪控制的A相原理图图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 Dia 超过时 ±h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形示于图4。n 如果， ia < i*a ， 且i*a - ia h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开

4、关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大n 直到达到ia = i*a + h ， Dia = h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1 ，并经延时后驱动V4但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值，使 HBC 再翻转，又重复使导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图 2 中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。图2 电流滞环跟踪控制时的电流波形图2给出了在

5、给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。图3 三相电流跟踪型PWM逆变电路图4 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频

6、率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。二、三相电流跟踪滞环控制系统的仿真使用MATLAB软件中的Simulink和SimpowerSystems工具箱构建三相电流跟踪滞环控制系统的仿真模型。1、建立系统仿真模型仿真参数为：E=100-3

7、00V; f=50Hz;带宽2h=5-30; 步长h=0.0001s，其他参数自定。选用的模块主要有：Mux 、 Sum 、 Relay、Scope 、Sine Wave 、DC Voltage Source 、 Ground 、Series RLC Branch 、Multimeter 、IGBT/Diode 、Logical Operator、Terminator、Voltage Measurement 、Powergui。2、 模块参数设置Sine WaveAmplitude: 20 ; Bias: 0;Frequency(rad/sec): 100*pi ; Phase (rad):0

8、;Sample Time:0Sine Wave1Amplitude: 20 ; Bias: 0;Frequency(rad/sec): 100*pi ; Phase(rad) :-4*pi/3;Sample Time:0Sine Wave2Amplitude: 20 ; Bias: 0;Frequency(rad/sec): 100*pi ; Phase(rad) :-2*pi/3;Sample Time:0SumIcon shape:round;List of signs:|+-;Sample time:-1Multimeter2Ib:Series RLC BranchMultimeter4

9、Ib:Series RLC Branch2Multimeter5Ib:Series RLC Branch1Relay、Relay2、Relay4Switch on point:2.5;Switch off point:-2.5;Output when on:1;Output when off:0ScopeNumber of axes:3;Variable name:bScope1Number of axes:4;Variable name:cScope2Number of axes:6;Variable name:aLogical OperatorLogical Operator1Logica

10、l Operator2Operator:NOT;Number of input ports:1DC Voltage SourceDC Voltage Source1Amplitude(V):100;Measurements:voltageSeries RLC BranchSeries RLC Branch1Series RLC Branch2Resistance(Ohms): 5 ;Inductance(H): 0.005 ;Capacitance(F): inf;Measurements:Branch vo;tage and current注：表格中未注明的参数为默认值；Relay、Rela

11、y2、Relay4中的“Switch on point”与“Switch off point”的值的绝对值就是h，2h就是环宽。 此表格所设置的参数为E=200V，f=50HZ,带宽2h=5。 在菜单栏中选中"Simulation","Configuration Parameters、"将Stop time改为0.04，将Max step size改为1e-4，将Solver改为ode23tb(stiff/TR-BDF2),此时步长h=0.0001s.3、 电路封装 封装后的电路图如下所示：其中子系统Subsystem和Subsystem1的内部图如下：

12、 Subsystem内部图（脉冲电路图） Subsystem1内部图（主电路图）4、作图程序设计 在上述电路建立完成后，执行后双击各示波器可观察触发脉冲波形、相电压和线电压波形及电流波形，使用Powergui中的FFT Analysis可观察相电压和线电压的频谱图。建立3个M文件分别用来编写触发脉冲波形、电流波形、电压波形的作图程序，其程序设计分别如下：触发脉冲波形作图程序 电流波形作图程序相电压及线电压波形作图程序三、仿真波形及频谱分析（一）、环宽2h=5时的仿真波形及频谱分析1、 仿真波形触发脉冲波形电流波形电压波形2、频谱分析（先用powergui将信离散化，号取采样时间为1e-6s）相

13、电压频谱图当环宽2h=5时，输出相电压的基波（50HZ）峰值为105.6，总谐波失真（THD）为174.25%。线电压频谱图当环宽2h=5时，输出线电压的基波（50HZ）峰值为183.5，总谐波失真（THD）为142.12%。输出相电流频谱图由频谱图可知，2h=5时，输出电流的基波（50HZ）峰值为20.14，总谐波失真（THD）为10.25%。（2） 、环宽2h=20时的仿真波形及频谱分析 1、仿真波形触发脉冲波形电流波形电压波形2、频谱分析（先用powergui将信离散化，号取采样时间为1e-6s）相电压频谱图当环宽2h=20时，输出相电压的基波（50HZ）的峰值为126.3，总谐波失真（

14、THD）为134.96%，f=0时的直流分量为1.56%，谐波分量较大的有f=650HZ时的78.15%，f=550HZ时的54.16%，f=950HZ时的32.75%。线电压频谱图当环宽2h=20时，输出线电压的基波（50HZ）的峰值为218.6，总谐波失真（THD）为116.25%，f=0时的直流分量为2.53%，谐波分量较大的有f=550HZ时的59.73%，f=650HZ时的44.35%，f=500HZ时的21.91%。输出相电流频谱 由频谱图可知，2h=20时，输出电流的基波（50HZ）峰值为24.26，总谐波失真（THD）为32.58%。四、仿真结果分析与总结1、仿真波形比较由上述

15、两组波形比较可知，当环宽2h=5时，其触发脉冲波形比2h=20时要更密集，即触发频率快，对IGBT的开关频率高；电流跟踪效果明显比2h=20时的要好，其总谐波失真也要比2h=20时小，但是可以看出在一个周期内，其电流在环宽内变化的次数也明显比2h=20时多，这与上面触发频率快相一致；其输出相电压与线电压的波形同样体现出2h=5时的开关频率比2h=20时的快，由波形的疏密容易看出。2、 电流频谱分析比较 由仿真出的电流波形的频谱图对比可知，当环宽较小（2h=5）时，电流的基波分量的峰值接近于给定电流峰值（20），且总谐波失真（THD）较小为10.25%；而当环宽较大（2h=20）时，电流的基波分

16、量的峰值较大，明显大于给定电流的峰值，且总谐波失真（THD）较大为32.58%.3、 相电压、线电压频谱分析比较由仿真出的相电压与线电压的波形已经容易比较出当环宽2h=5时，其波形较密，因其为PWM波形，所以由FFT Analysis分析出来的谐波失真应该比环宽2h=20时的要大，而频谱分析结果恰好符合上述分析，2h=5时相电压总谐波失真（THD）为174.25%，而2h=20时相电压总谐波失真（THD）为134.96%，2h=5时线电压总谐波失真（THD）为142.12%，而2h=20时线电压总谐波失真（THD）为116.25%.4、 总结由上述分析可知，当所给环宽小时，电流跟踪控制的精度高

17、，电流跟踪效果好，同时电流的谐波分量也少，但是对IGBT的开关频率要求高；二当所给环宽大时，电流跟踪控制的精度就减小了，电流跟踪的效果也变差，电流的谐波分量也高，不过降低了对IGBT的开关频率要求。所以在现实应用中，应该根据所给开关器件如IGBT的开关频率范围来选择环宽的大小，一般在开关频率允许的条件下，尽可能地选择小的环宽，这样输出的电流波形质量越高。五、课设心得体会这次课程设计选择的题目是电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术的仿真，也是一种PWM控制技术，由于平时上课做实验时就已经做过三相桥式SPWM逆变电路的仿真，所以这次做课设有一定的基础，遇到的问题不是太大，通过查阅资料和与同学

18、交流学习到了许多新的知识，解决了不少问题。首先这次课设学习了电流滞环跟踪控制的基本原理，由给定电流与反馈电流进行比较，得到偏差电流，经过滞环控制器HBC来控制逆变器上下桥臂的开关动作。其中环宽时一个很重要的量，由它决定着开关器件的开关频率，同时也决定着输出电流的质量好坏。在用Simulink构建仿真模型时复习了之前学习过一些知识，还新学习了一些平时上课没有使用过的模块，如使用了总线Demux，使用了多路测量仪Multimeter，并且学会了使用Powergui中的FFT Analysis来分析信号的谐波。最终通过不断地调试，得到了仿真波形，并通过比较分析得出了结论：环宽越小，得到的电流质量越高，谐波分量越小，电流跟踪控制进度越高，但是对开关器件的开关频率要求高，所