变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真设计

1、变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真设计摘要随着电力电子器件的发展和各种电机控制理论的不断完善，电机控制性能有了很大的提高。目前，结构简单、控制相对简单的通用变频器被广泛使用。由于通用变频器采用不可控二极管整流，存在输入电流谐波数大、能量利用率低、不能运行在四象限等缺点。为了克服这些缺点，本文介绍了采用PWM整流技术，以TMS320F2812为核心控制芯片的电路设计，并用MATLAB软件对双PWM逆变器进行了仿真。在此基础上，搭建了系统实验平台，进行了双PWM逆变器实验。通过对实验波形的分析，证明了双PWM逆变技术的正确性和实用性。2电流源双P逆变器拓扑结构电流源双PWM逆变器拓扑结构DC 23

2、一个大电感用于DC储能，滤除电网侧的谐波电流，抑制交流侧的谐波电压。以晶闸管为功率器件的电流型双PWM逆变器主电路拓扑。异步电动机变频调速需要一个电压和频率可调的电流电源。常用的交流可调电源是由电力电子器件组成的静态功率变换器，一般称为变频器。根据变流器的方式，可分为交流-DC-交流变流器和交流-交流变流器。本设计采用前者。早期的逆变器由晶闸管(SCR)组成，是一种半控器件。晶闸管开关速度慢，逆变器开关频率低，输出电压谐波分量大。所有受控设备都可以通过门控打开和关闭。这些器件的开关速度一般高于晶闸管。全控器件构成的变频器主电路结构简单，输出电压质量好。常用的全控器件包括绝缘栅双极晶体管(IGB

3、T)。脉宽调制(PWM)是现代变频器中应用最广泛的控制技术。其基本思想是控制逆变器中的电力电子器件的开通或关断，输出电压是按一定规律等幅变宽的脉冲序列。这种高频脉冲序列可以代替预期的输出电压。传统PWM技术用正弦波调制等腰三角波，称为正脉宽调制。随着控制技术的发展，电流跟踪PWM控制技术应运而生。CFPWM的控制方法是:在原有主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态下，实际电流尽可能接近正弦波。关键词:电流控制；脉宽调制；CFPWM。目录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636103 摘要I HYPERLIN

4、K l _RefHeading_Toc297636104 1 前言1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636105 2 设计框图与原理2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636106 2.1 设计框图2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636111 2.2 电流滞环跟踪控制原理3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636113 2.3 滞环宽度分析4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636116 2.4电流滞环跟踪控制的特点6 HYPERLINK l _Re

5、fHeading_Toc297636117 3 电流的滞环跟踪控制的simulink的仿真7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636118 3.1 单相电流跟踪控制逆变器仿真7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636119 3.2 三相电流跟踪滞环控制仿真9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636120 3.3 仿真结果分析15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636121 4心得体会16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc297636122 参考文献171.介绍

6、SPWM控制技术的目标是输入电压接近正弦波，而电流波形随负载的性质和大小而变化。然而，对于交流电机，应该保证电流是正弦的。当绕组处于稳态时，三相平衡的正弦电流能使合成电磁转矩恒定而无脉动，因此以正弦电流为控制目标更为合适。电流跟随PWM (CHPWM)的控制方法是:在原有主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态下，实际电流尽可能接近正弦波，可以达到比压控SPWM更好的性能。电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时也受到功率开关器件允许开关频率的限制。在实际使用中，在器件开关频率允许的前提下，宽度应尽可能小。电流滞环跟踪控制方法精度高、响应快、易于实现，但功率开关器件的

7、开关频率是不确定的。为了克服这个缺点，可以使用开关频率恒定的电流控制器，或者局部限制开关频率，但这样会影响电流波形。2设计框图和原理2.1设计框图三相异步电动机调速系统的结构图如下图2-1所示:图2-1三相异步电动机调速系统框图主电路采用交流-DC-交流结构，如下图2-2所示:图2-2交流-DC-交流结构主电路图2-3三相电流跟踪PWM逆变器电路控制电路采用单片机控制EXB841驱动芯片驱动IGBT，如图2-4所示:图2-4单片机控制的EXB841驱动电路上图所示的芯片EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速IGBT驱动模块。整个电路的延迟时间小于Ip，最高工作频率为4050k

8、 Hz。它只需要一个外部+20V单电源，器件内部产生-5V反向偏置电压。模块采用高速光耦隔离，具有短路保护和慢关断功能。它由单片机控制产生触发脉冲驱动IGBT。2.2电流滞环跟踪控制原理现在以A相滞环跟踪控制为例，其控制结构图如下图2-5所示:图2-5电流跟踪控制A相示意图其中电流控制器为带滞环的比较器，环路宽度为h，给定电流ia与输出电流I * A进行比较，当电流偏差ia超过0.5h时，滞环控制器(HBC)控制逆变器A相上下桥臂的功率开关器件。设比较器的迟滞宽度为h，当输出电流i*a大于给定电流ia且误差大于0.5h时，迟滞比较器输出负电平，驱动开关器件VT1关断，VT2导通，从而降低实际电

9、流。当等于给定电流时，滞环比较器仍保持负电平输出，VT1关断，实际电流继续减小。直到误差大于0.5h，滞环控制器翻转输出正电平信号，开关器件VT1导通，VT2关断，使得实际电流增加到带宽上限。重复上述过程，使实际电流与给定电流的偏差保持在-0.5h至+0.5h之间，在给定电流中上下做锯齿变化，达到跟踪电流的目的。2.3滞后宽度分析电流滞环跟踪控制的PWM波形如下图2-6所示:：图2-6电流滞环跟踪控制期间的电流波形图2-6显示了正弦波电流给定半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，正弦波是脉动的，无论在上升段还是下降段，都是指数曲线的一小部分，其变化率与电路参数和电机

10、的反电动势有关。电流滞环跟踪控制波形的几何关系如图2-7所示:图2-7电流滞环跟踪控制波形的几何关系从上图可以看出，逆变器的开关频率与电流波动的幅度成反比，即与环宽成反比。环宽度越小，开关频率f越高，实际电流值越接近给定电流。此时电流跟踪性能越好。图2-8三相电流跟踪PWM逆变电路的输出波形因此，输出相电压波形类似PWM，但与边窄中间宽的s PWM波相反，两边变宽，中间变窄，这表明要调整电压波形，才能使电流波形跟随正弦波。电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，也受功率开关器件允许的开关频率的限制。当环宽较大时，可以降低开关频率，但电流波形畸变较多，谐波分量较高。如果环宽度过小，则电流波形良好，但

11、开关频率增加。这是一对矛盾的因素。在实际应用中，在充分利用器件开关频率的前提下，应正确选择尽可能小的环宽。2.4电流滞环跟踪控制的特点电流滞环跟踪控制方法具有精度高、响应快、易于实现的优点。但由于功率开关器件允许开关频率的限制，只有在电机锁定且给定电流峰值的情况下才能达到最大开关频率。在其他情况下，器件的容许开关频率没有得到充分利用。为了克服这个缺点，可以使用开关频率恒定的电流控制器，或者局部限制开关频率，但这样会影响电流波形。具有迟滞比较的电流跟踪PWM交流电路具有以下特征:(1)硬件电路简单；(2)实时控制模式，电流响应快；(3)不需要载波，输出电压波形不含特定频率的谐波成分；(4)与计算

12、方法和调制方法相比，在相同的开关频率下，输出电流包含更多的高次谐波；(5)属于闭环控制，这是各种跟踪PWM交流电路的共同特点。3电流滞环跟踪控制的Simulink仿真3.1单相电流跟踪控制逆变器的仿真为了验证上述原理，先做单相。单相跟踪控制逆变器的仿真模型如图3-1所示:图3-1单相跟踪控制逆变器仿真模型图3-2电流给定值图3-3电流输出值图3-4给定值和输出值的比较图3-5输出电压3.2三相电流跟踪滞环控制仿真仿真模型如下图3-6所示:图3-6三相电流滞环控制仿真模型根据图3-6，在电流滞环跟踪PWM逆变器仿真模型中，给定电流ia通过滞环与输出电流i*a进行比较，产生开关变量sinWave1

13、、sinWave2和sinWave3，以控制桥臂上下开关器件的通断。给定正弦信号，其幅度为20A，频率为50Hz，相位差为2/3。如图，Relay是一个迟滞比较器，当其输入大于正阈值时，其输出为1；当它小于负阈值时，输出为0。一个脉搏继电器6继电器5继电器34继电器3继电器2继电器1四组织联盟三集成电路*2Ib*一个Ia*图3-8显示了电流滞环跟踪PWM逆变器仿真模型中的子模块，它们封装在子系统模块中。图3-7逆变器子模块变频器型号的参数如下表3-1所示:表3-1跟踪控制逆变器的型号参数组件参数名称参数值DC DC供电公司振幅/伏100阻力模块RL电阻/0.5电感/小时0.005正弦波模块振幅

14、20频率/(红色/秒)2*pi*50图3-8给定正弦波参数图3-9 H滞后控制的参数设置图3-10时间参数设置仿真后得到如下波形，如下图3-11至图3-16所示:图3-11三相电流给定值图3-12 12a相给定电流和输出电流的比较图3-13三相电流跟踪逆变器的电流波形图3-15 A相电压输出图3-16三相输出电压3.3模拟结果分析采用Matlab/Simulink进行仿真。仿真结果表明，电流滞环跟踪PWM控制具有电流响应快、动态性能好、无载波、方法简单等优点。它可以取代传统的SPWM电压源逆变器，应用于逆变器控制系统中。此外，电流跟踪控制的精度与滞环的环路宽度有关，还受到功率开关器件允许开关频

15、率的限制。当环宽较大时，可以降低开关频率，但电流波形畸变较多，谐波分量较高。如果环宽度过小，则电流波形良好，但开关频率增加。这是一对矛盾的因素。在实际应用中，在充分利用器件开关频率的前提下，应正确选择尽可能小的环宽。4.经验通过这次课程设计，我学会了用simulink解决一些电力电子仿真，一个很基础很简单的电力电子问题，让我对一个很软件有了系统的了解，对我以后的学习和研究有很好的影响。本来是一个复杂的系统，通过simulink仿真可以很快知道结果，同时可以调整系统的一些参数，得到很好的仿真结果，对复杂系统的研究起到了很好的辅助作用，对复杂系统参数的选取起到了很大的作用。这些都让我对这个软件产生了非常好的印象。总而言之，我对matlab有了更深入的了解。广泛应用于自动化等电子类专业，是本专业不可或缺的工具。相信加强matlab的学习，对以后专业知识的学习一定会更有帮助。参考1黄中林，黄静，MATLAB计算机与控制系统仿真(第3版):国防工业，2009 .2王兆安，黄军主编电力电子技术(第4版):机械工业，2002。3郭玮主编，MATLAB编程与应用(第2版):高等教育，20064洪乃刚