畢業(yè)設(shè)計單相逆變電源的設(shè)計

1、<p><b>　　陜西理工學(xué)院</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　電氣工程學(xué)院 院(系) 自動化 專業(yè) 084 班 學(xué)生 </p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計題目單相逆變電源的設(shè)計 </p><p>　　二、畢業(yè)設(shè)

2、計工作自 2012 年 11 月 19 日 起至 2013 年 6 月 20 日止</p><p>　　三、畢業(yè)設(shè)計進行地點:501-108 </p><p><b>　　四、畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　(1) 掌握單相電壓型PWM逆變器的工作原理；</p><p>　　(

3、2) 建立單相電壓型逆變器的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　(3) 完成單相電壓型PWM逆變器的諧波分析；</p><p>　　(4) 完成單相電壓型逆變器反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)控制規(guī)律研究；</p><p>　　(5) 完成單相電壓型PWM逆變器系統(tǒng)仿真；</p><p>　　(6) 完成系統(tǒng)調(diào)試，并對實驗結(jié)果進行分析。</p>&

4、lt;p>　　指導(dǎo)教師 教研室 自動化教研室 </p><p>　　教研室主任（簽名） 批準(zhǔn)日期 </p><p>　　接受論文（設(shè)計）任務(wù)開始執(zhí)行日期

5、 學(xué)生簽名 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 逆變技術(shù)的定義1</p><p>　　1.2 逆變技術(shù)的發(fā)展過程1</p><p>

6、　　1.3 逆變技術(shù)的應(yīng)用前景3</p><p>　　1.4 逆變技術(shù)存在的難點3</p><p>　　1.5逆變電源的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.6 逆變器的分類3</p><p>　　1.7 逆變技術(shù)指標(biāo)4</p><p>　　1.8 逆變器的單片機控制5</p><p>

7、;　　1.9 本文研究內(nèi)容7</p><p>　　本文研究的主要內(nèi)容如下：7</p><p><b>　　2逆變電路9</b></p><p>　　2.1 逆變電路的基本工作原理9</p><p>　　2.2逆變電路的換流方式10</p><p>　　2.3 電壓型逆變電路12<

8、/p><p>　　2.4 逆變電路的調(diào)制方式14</p><p>　　三、系統(tǒng)組成及各部分原理20</p><p>　　3.1系統(tǒng)控制方案20</p><p>　　3.2 系統(tǒng)框圖20</p><p>　　3.2.1主電路硬件結(jié)構(gòu)及工作原理20</p><p>　　3.3 系統(tǒng)各級供電電源

9、設(shè)計21</p><p>　　3.4 IGBT的特點及選取21</p><p>　　3.5 TMS320F2812 DSP簡介22</p><p>　　3.5.1 DSP的概念22</p><p>　　3.5.3 A/D轉(zhuǎn)化單元概述24</p><p>　　3.6 IGBT驅(qū)動電路25</p>

10、<p>　　3.7輸出濾波器的設(shè)計26</p><p>　　3.7.1 濾波器的理論分析及參數(shù)選取26</p><p>　　3.8 閘管導(dǎo)通死區(qū)硬件電路設(shè)計27</p><p>　　3.9輸出電壓采樣電路28</p><p>　　四、PWM控制技術(shù)15</p><p>　　4.1 PWM控制的基

11、本原理15</p><p>　　4.2 正弦脈寬調(diào)制的生成16</p><p>　　4.3規(guī)則采樣法18</p><p>　　4.4 同步調(diào)制和異步調(diào)制19</p><p>　　4.5 TMS320F2812DSP PWM信號的產(chǎn)生19</p><p>　　5 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制方案錯誤!未定義書簽。<

12、;/p><p>　　5.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立28</p><p>　　5.2系統(tǒng)仿真31</p><p>　　5.3 閉環(huán)自動控制系統(tǒng)組成32</p><p>　　5.4 控制方案選擇33</p><p>　　5.4.1單一控制方式的效果33</p><p>　　5.4.2 比例積分微分控制

13、(PID)33</p><p><b>　　6 實驗35</b></p><p>　　6.1 實驗數(shù)據(jù)分析35</p><p>　　6.2 實驗結(jié)果總結(jié)36</p><p>　　6.3 實驗中硬件照片37</p><p>　　6.4系統(tǒng)的進一步設(shè)計及方向38</p>&l

14、t;p><b>　　參考文獻41</b></p><p>　　科技外文文獻原文43</p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　附錄152</b></p><p>　　單相電壓型逆變電源設(shè)計總程序52</p><

15、;p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 逆變電源基本概念</p><p>　　逆變就是將直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能的過程。近年來，隨著電力電子技術(shù)和自動化水平及控制技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對電力的供給提出了更高的要求。提供穩(wěn)定的、高可靠性的、高效率的、節(jié)能環(huán)保的電力供給就成為了能量領(lǐng)域研究的重點之一 。在目前已有的電源中，如蓄電池和太陽能電池

16、等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負載供電時就需要將直流電轉(zhuǎn)變成交流電供負載使用。逆變器就是這種能進行電能轉(zhuǎn)化的裝置。</p><p>　　逆變器也稱逆變電源，是太陽能、風(fēng)力發(fā)電中一個重要部件。它能將直流電變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO

17、 等的發(fā)展和PWM的控制技術(shù)的日趨完善，控制電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機等數(shù)字控制領(lǐng)域，使得SPWM逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM

18、 法），磁鏈追蹤型PWM 法和電流跟蹤型PWM 法等等。各種現(xiàn)代控制理論如棒棒控制，自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制理論和算法也大量應(yīng)用于逆變領(lǐng)域。</p><p>　　隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機的廣泛應(yīng)用，供電系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，因此對不間斷電源（UPS）技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高。UPS的核心部分是一個恒壓恒頻逆變電源，也稱為逆變器，由于傳統(tǒng)模擬控制器需要使用大量的分立元器件，老化

19、和溫漂嚴重影響了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。而微機數(shù)字化控制技術(shù)填補了這一缺陷，同時增加了控制的方便性，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計了一種基于DSP控制的逆變電源.并在逆變電源設(shè)計中采用PWM控制方法，PWM技術(shù)在晶閘管時代就已經(jīng)產(chǎn)生，但是為了使晶閘管通斷付出了很大的代價，因而難以得到廣泛應(yīng)用。以IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強大的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動了這項技術(shù)的迅猛發(fā)展，使它應(yīng)用到整流、逆變

20、、直-直、交-交的所有四大類變流電路中。PWM技術(shù)在逆變帶電路中的應(yīng)用最具有代表性，可以說，正是由于PWM控制技術(shù)在這類電路中廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位。</p><p>　　1.2 逆變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　1.2.1 逆變電源的發(fā)展過程</p><p>　　1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段。195

21、6年，第一只晶閘管問世標(biāo)志著電力電子學(xué)的誕生，在這個時代，逆變器繼整流器之后開始發(fā)展，首先出現(xiàn)的是可控硅SCR電壓源型逆變器。1961年，W．McMurrav與B．D．B edford提出了改進型SCR強迫換向逆變器，為SCR逆變器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1962年，A．Kemick提出了“諧波中和消除法”，這標(biāo)志著正弦波逆變器的誕生。1963年，EG．Tumbull提出了“特定諧波消除法”，為后來的優(yōu)化PWM法奠定了基礎(chǔ)，以實現(xiàn)特定的優(yōu)化目

22、標(biāo)，如諧波最小，效率最優(yōu)等。</p><p>　　1980到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段。20世紀(jì)80年代初，美國弗吉尼亞電力電子技術(shù)中心(VPEC)對諧振技術(shù)進行了改進，提出了準(zhǔn)諧振變換技術(shù)，即把LC回路在一個開關(guān)周期中的全諧振改變?yōu)榘胫C振或部分諧振，這才使軟開關(guān)與PWM技術(shù)的結(jié)合成為可能，并在DC／DC變換器中普遍采用。軟開關(guān)技術(shù)研究的最終目的是實現(xiàn)脈寬調(diào)制PWM(Pulse．Width Modulation)軟開

23、關(guān)技術(shù)，也就是將軟開關(guān)技術(shù)引進到PWM逆變器中，使它既能保持原來的優(yōu)點，又能實現(xiàn)軟開關(guān)功能。為此，必須把LC與開關(guān)器件組成一個諧振網(wǎng)絡(luò)，使PWM逆變器只有在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中才產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)軟開關(guān)轉(zhuǎn)換，平時則不諧振，以保持PWM逆變器的特點。PWM軟開關(guān)技術(shù)是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究內(nèi)容之一，是實現(xiàn)電力電子高頻化的最佳途徑，也是一項理論性最強的研究工作。它的研究對于逆變器性能的提高和進一步推廣應(yīng)用，以及對電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都有十分

24、重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。</p><p>　　1.2.2 逆變電源的發(fā)展趨勢</p><p>　　在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，變頻電源技術(shù)均處于核心地位。近年來，現(xiàn)代變頻電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢：</p><p><b>　　(1) 高頻化</b></p><p>　　提高變頻電源的開

25、關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，為了進一步減小裝置的體積和重量，去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時改善了輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)能力。</p><p><b>　　(2) 高性能化</b></p><p>　　高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個方面:穩(wěn)壓性能好，空載及負載時輸出電壓有效值要穩(wěn)定；波形質(zhì)量高

26、，不但要求空載時的波形好，帶載時波形也好，對非線性負載性要強；突加或突減負載時輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；電壓調(diào)制量??；輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；對于共相電源，帶不平衡負載時相電壓失衡小。</p><p><b>　　(3) 模塊化</b></p><p>　　當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性.雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千KVA的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的

27、場合。但是，這樣整個系統(tǒng)的可靠性完全由單臺電源決定，無論如何可靠性也不可能達到很高。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實現(xiàn)模塊化，模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個較大容量的變頻電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，變頻電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負荷分配、環(huán)流補償、通斷控制等多方面的問題。</p><p><b>　　(4) 數(shù)字化</b><

28、;/p><p>　　現(xiàn)在數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)、也便于自診斷，容錯等技術(shù)的植入，同時也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。</p><p><b>　　(5) 綠色化</b></p><p>　　綠色電源的含義有兩層:首先是顯著節(jié)電

29、，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義，不僅可以減少對電網(wǎng)的污染，降低市電的無功損耗，起到環(huán)保和節(jié)能的效果，而且還能減少相應(yīng)的投資，提高運行可靠性。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校正技術(shù)，目前較先進的方法是:單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。

30、今后電源技術(shù)將朝著高效率、高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展，并不斷實現(xiàn)低諧波污染、低環(huán)境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。從而為今后的綠色電源產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)展提供強有力的技術(shù)保證，這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。</p><p>　　1.2.3 逆變技術(shù)的應(yīng)用前景</p><p>　　逆變電源輸出的交流電可用于各類設(shè)備，可以最大限度地滿足移動供電場所或無電地區(qū)用戶對交流電源的需要。有了逆變器，

31、就可利用直流電轉(zhuǎn)換成交流電為電器提供穩(wěn)定可靠得用電保障，如筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機以及各類儀器等；逆變器還可與發(fā)電機配套使用，能有效地節(jié)約燃料、減少噪音；在風(fēng)能、太陽能領(lǐng)域，逆變器更是必不可少。這種能量的變換對節(jié)能、減小環(huán)境污染、降低成本和提高產(chǎn)量等方面均起著非常重要的作用。隨著逆變技術(shù)成熟，使得其應(yīng)用領(lǐng)域也達到了前所未有的廣闊，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、家用電器、交通運輸、工業(yè)電源和航空航天等領(lǐng)域并且隨著計算機技術(shù)和各種新型功率器件的發(fā)展

32、，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。高性能逆變電源要求滿足：高逆變效率、高速動態(tài)響應(yīng)、高穩(wěn)態(tài)精度、高智能化、高系統(tǒng)穩(wěn)定性和高可靠性。</p><p>　　1.2.4逆變技術(shù)存在的難點</p><p>　　數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決以下一些難題：</p><p>　?、倌孀冸娫摧敵鲆櫟氖且粋€按正弦規(guī)律變化的給定信號，

33、它不同于一般開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號與反饋信號的時間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計帶來了困難。</p><p>　?、谀孀冸娫摧敵鰹V波器對系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動幅值和負載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對象的復(fù)雜性，使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。</p><p>　?、蹖τ跀?shù)字式PW

34、M，都存在一個開關(guān)周期的失控區(qū)間，一般是在每個開關(guān)周期的開始或上個周期之后確定本次脈沖的寬度，即使這時系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個開關(guān)周期對脈沖寬度做出調(diào)整，所以現(xiàn)在逆變電源的數(shù)字化控制引起了廣泛的關(guān)注。</p><p>　　1.3 逆變電源的分類</p><p>　　逆變器的種類很多，可按照不同的方法進行分類。</p><p>　　⑴ 按逆變器輸出交流電能的頻率

35、，可分為工頻逆變器，中頻逆變器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50-60HZ的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為400HZ到十幾KHZ；高頻逆變器的頻率一般為十幾KHZ到MHZ。</p><p>　?、?按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變器，三相逆變器和多相逆變器。</p><p>　?、?按照逆變器輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向電網(wǎng)側(cè)輸送的逆變器，稱為有

36、源逆變器；凡將逆變器輸出的電能向電能負載輸送的逆變器稱為無源逆變器。</p><p>　?、?按逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。</p><p>　?、?按逆變器主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應(yīng)管逆變器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等。也可以將其歸納為“半控型”逆變器和“全控型”逆變器兩大類。其中半控型器件不

37、具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”，晶閘管屬于這一類器件。而全控型器件具有自關(guān)斷能力，即器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由器件的控制極加以控制，電力場效應(yīng)管和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及MOSFET都屬于這一類器件。</p><p>　?、?按直流電源類型，可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）。</p><p>　?、?按逆變器輸出電壓或電流的波形，

38、可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。</p><p>　　⑻ 按逆變器環(huán)流方式分，可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。</p><p>　　1.4 逆變技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　1. 額定輸出電壓</b></p><p>　　在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內(nèi)，它表示逆變器能輸出的額定電壓值。對

39、輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定：</p><p>　?、?在穩(wěn)態(tài)運行時，電壓波動范圍應(yīng)有一個規(guī)定，例如逆變器輸出電壓偏差不超過額定值的±3%或±5%。</p><p>　?、?在負載突變（額定負載0%→50%→100%）或有其他干擾因素影響的動態(tài)情況下，逆變器輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±8%或±10%。</p><p&

40、gt;　　2. 輸出電壓的波形失真度</p><p>　　當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦波時，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波分量）。通常以輸出電壓的總波形式失真度表示，其值不應(yīng)超過5%（單相輸出允許10%）。</p><p><b>　　3. 額定輸出頻率</b></p><p>　　逆變器輸出交流地那英的頻率應(yīng)是一個相對穩(wěn)定的值，通常為工頻50H

41、Z。正常工作條件下其值應(yīng)在±1%以內(nèi)。</p><p><b>　　4.保護</b></p><p>　　1）過電壓保護：對與沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過電壓防護措施，以使負載免受輸出過電壓的損害。</p><p>　　2）過電流保護：逆變器的過電路保護，應(yīng)能保證在負載發(fā)生短路或電流過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。&

42、lt;/p><p><b>　　7.啟動特性</b></p><p>　　逆變器帶負載啟動的能力和動態(tài)工作時的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負載下可靠起動。</p><p><b>　　8.噪聲</b></p><p>　　電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)等部件均會產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲

43、應(yīng)不超過80DB,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65DB.</p><p>　　1.5 逆變器的DSP控制</p><p>　　總體來說，逆變器就是利用數(shù)字控制器的定時器的操作產(chǎn)生一種PWM波，進而控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，為了使輸出波形在帶載時更加精確，在現(xiàn)在控制中一般采用閉環(huán)控制方法。逆變電源的控制方法有傳統(tǒng)的PID控制，模糊控制、滯環(huán)控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制和重復(fù)控制。與模擬控制電路相

44、比，逆變電源采用微機數(shù)字化控制具有以下優(yōu)勢:① 溫度漂移小，抗干擾能力強，可靠性高，穩(wěn)定性好。② 數(shù)字式部件結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，耗能少，易于標(biāo)準(zhǔn)化。③ 提高了信息存儲、監(jiān)控、診斷以及分級控制的能力，使系統(tǒng)更趨于智能化，系統(tǒng)維護方便。④ 控制策略靈活，可以方便實現(xiàn)許多復(fù)雜、智能的算法提高性能。但同時也有如下問題：①信號反饋中的量化誤差使系統(tǒng)精度有所下降。②數(shù)字處理器采樣、計算延時帶來的變頻電源最大占空比受限問題，對環(huán)境溫度要求較高等

45、等，這些問題使得數(shù)字控制在變頻電源性能提高的發(fā)揮中受到了阻礙，但是這些問題依然不能阻擋微機控制在電力電子中的使用，逆變電源微機控制技術(shù)也日趨成熟。</p><p>　　1）單閉環(huán)PID控制</p><p>　　早期的逆變控制器多為模擬PID控制，單純采用輸出電壓的瞬時值反饋。采用模擬PID控制器進行調(diào)節(jié)，其動態(tài)性能特別是非線性負載的時候，不能令人滿意。對于要求較高的系統(tǒng)，還沒有做到滿足系統(tǒng)

46、要求的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。隨著DSP的出現(xiàn)，逆變器的瞬時值反饋數(shù)字PID控制成為可能。但是，數(shù)字PID控制不可避免地存在一些局限性。PID控制的精度取決于比例項和積分項，這兩項越大控制精度越高，一方面逆變器空載時振蕩性很強，積分項易產(chǎn)生相位滯后，另一方面離散化系統(tǒng)的量化誤差也對穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此比例項和積分項不能取得太大。由于數(shù)字控制的采樣、計算延時的影響，引入了相位滯后，減小了最大可得到的脈寬，結(jié)果勢必造成穩(wěn)態(tài)誤差大，輸出電壓波形畸

47、變高。采用高速A/D和高速處理器以及提高開關(guān)頻率可以一定程度上改善數(shù)字PID控制的效果，但實現(xiàn)起來有一定困難。并且PID控制無法實現(xiàn)對正弦指令的無靜差跟蹤，逆變器系統(tǒng)實際上往往增設(shè)外環(huán)均值反饋以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。</p><p><b>　　2）模糊控制</b></p><p>　　與傳統(tǒng)的控制方式相比，智能控制最大的好處是不依賴控制對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制器的設(shè)計

48、不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，有著較強的魯棒性和自適應(yīng)能力；查找模糊控制制表只需要占用處理器很少的時間，因而可以采用較高的采樣率來補償模糊控制規(guī)則和實際經(jīng)驗的偏差。模糊控制在理論上可以任意逼近任何非線性函數(shù)，但是模糊控制的分檔和模糊控制規(guī)則需要進一步的研究，并且隸屬函數(shù)較難確定，因此模糊控制的精度有待遇進一步提高。</p><p>　　3）bang-bang控制</p><p>　　ban

49、g-bang控制方面的研究始于20世紀(jì)50年代。在過去的20年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。根據(jù)對性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。</p><p>　　由于工作狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實際工業(yè)過程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也

50、將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說模型的不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計一個固定的控制器，使具有不確定性的對象滿足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制，成為國內(nèi)外科研人員的研究課題。</p><p>　　現(xiàn)代魯棒控制是一個著重控制算法可靠性研究的控制器設(shè)計方法。其設(shè)計目標(biāo)是找到在實際環(huán)境中為保證安全要求控制系統(tǒng)最小必須滿足的要求。一旦設(shè)計好這個控制器，它的參數(shù)不能改變而且控制性能能夠保證。</p><

51、p>　　魯棒控制方法適用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標(biāo)的應(yīng)用，同時過程的動態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估，對于有太多不確定因素的被控對象，魯棒控制就不適應(yīng)了。</p><p><b>　　(4) 無差拍控制</b></p><p>　　無差拍控制是一種基于微機實現(xiàn)的 PWM方案，是數(shù)字控制特有的一種控制方案。它根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來計算逆變

52、器在下一個采樣周期的脈沖寬度，控制開關(guān)動作使下一個采樣時刻的輸出準(zhǔn)確跟蹤參考指令。由負載擾動引起的輸出電壓偏差可在一個采樣周期內(nèi)得到修正。無差拍控制有著非?？斓膭討B(tài)響應(yīng)，波形畸變率小，即使開關(guān)頻率不是很高，也能得到較好的輸出波形品質(zhì)。但是，無差拍控制的自身缺點也十分明顯:無差拍控制效果取決于模型估計的準(zhǔn)確程度，實際上無法對電路模型做出非常精確的估計，而且系統(tǒng)模型隨負載不同而變化，系統(tǒng)魯棒性不強;其次，無差拍控制極快的動態(tài)響應(yīng)即是其優(yōu)勢，

53、又導(dǎo)致了其不足，為了在一個采樣周期內(nèi)消除誤差控制器瞬態(tài)調(diào)節(jié)量較大，一旦系統(tǒng)模型不準(zhǔn)，很容易使系統(tǒng)輸出振蕩，不利于逆變器的穩(wěn)定運行。</p><p><b>　　(5) 重復(fù)控制</b></p><p>　　重復(fù)控制的基本思想源于控制理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng)的外部信號的動力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度的反饋控制系統(tǒng)。由內(nèi)模原理可知，除非針對每一種指令或擾

54、動信號均設(shè)置一個正弦函數(shù)內(nèi)模，否則無法實現(xiàn)無靜差，重復(fù)控制利用“重復(fù)信號發(fā)生器”內(nèi)模巧妙地解決了這一問題。重復(fù)控制采用數(shù)字方式實現(xiàn)。逆變器重復(fù)控制的目的是為了克服死區(qū)、非線性負載引起的輸出波形周期性畸變。其基本思想是假定前一基波周期中出現(xiàn)的畸變將在下一基波周期的同一時間重復(fù)出現(xiàn)，控制器根據(jù)每個開關(guān)周期給定與反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后在下一基波周期同一時間將此信號疊加在原控制信號上，以消除以后各周期中將出現(xiàn)的重復(fù)性畸變。重復(fù)

55、控制能使逆變器獲得低THD的穩(wěn)態(tài)輸出波形。但其主要弱點是動態(tài)性能差，干擾出現(xiàn)后的一個參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對干擾不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，這一周期系統(tǒng)近乎處于開環(huán)控制狀態(tài)，消除干擾對輸出的影響至少要一個參考周期。此提出了自適應(yīng)重復(fù)控制、伺服控制器和重復(fù)控制器組成的復(fù)合控制、狀態(tài)反饋控制與重復(fù)控制組成的雙環(huán)控制等多種方案改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。</p><p>　　(6) 滑模變結(jié)構(gòu)控制</p><p>　

56、　滑模變結(jié)構(gòu)控制最大的優(yōu)勢是對參數(shù)變動和外部擾動不敏感，系統(tǒng)的魯棒性特別強。早期逆變器采用模擬控制實現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制，存在電路復(fù)雜、控制功能有限的弱點?；谖⑻幚砥鞯幕Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制完全不同于常規(guī)的連續(xù)滑模控制理論，需要離散滑?？刂萍夹g(shù)，有些文獻引入前饋改善離散滑?？刂频姆€(wěn)態(tài)性能，有些通過自矯正措施改善負載擾動的影響。但是滑?？刂拼嬖诶硐牖Ｇ袚Q面難以選取、控制效果受采樣率的影響等弱點，它還存在高頻抖動現(xiàn)象且設(shè)計中需知道系統(tǒng)不確定性參數(shù)和

57、擾動的界限，抖動使系統(tǒng)無法精確定位，測定系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動的界限則影響了系統(tǒng)魯棒性進一步發(fā)揮。</p><p>　　1.6 本文研究內(nèi)容</p><p>　　本文研究的主要內(nèi)容如下：</p><p>　?、耪莆諉蜗嚯妷盒蚉WM逆變器的工作原理。</p><p>　　⑵建立單相電壓型逆變器的數(shù)學(xué)模型。</p><p>

58、　?、峭瓿蓡蜗嚯妷盒蚉WM逆變器的諧波分析。</p><p>　?、韧瓿蓡蜗嚯妷盒湍孀兤鞣答侀]環(huán)控制系統(tǒng)控制規(guī)律研究。</p><p>　　⑸完成單相電壓型PWM逆變器系統(tǒng)仿真。</p><p>　　⑹完成系統(tǒng)調(diào)試，并對實驗結(jié)果進行分析。</p><p>　　第二章 逆變電源的工作原理</p><p>　　2.1 逆變

59、電源結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　2.1.1 逆變電源基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　逆變電源采用 AC－DC－AC（交－直－交）的結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由輸入、整流、逆變、輸出、驅(qū)動與控制以及保護等電路組成。</p><p>　　圖 2-1 逆變電源的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　(1) 輸入電路<

60、/b></p><p>　　逆變主電路輸入如果是交流電，首先要經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為直流，提供穩(wěn)定</p><p><b>　　的直流電壓。</b></p><p><b>　　(2) 輸出電路</b></p><p>　　輸出電路主要是濾波電路。對于隔離分析式逆變電源，在輸出電路的前面還<

61、/p><p>　　有逆變變壓器；對于開環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路；而對于</p><p>　　閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。</p><p>　　(3) 驅(qū)動與控制電路</p><p>　　驅(qū)動與控制電路的功能就是按要求產(chǎn)生一系列的控制脈沖，來控制逆變開關(guān)</p><p>　　管的導(dǎo)通和關(guān)斷

62、，并能調(diào)節(jié)其頻率，控制逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)</p><p>　　中，控制電路與逆變主電路具有同樣的重要性。</p><p><b>　　(4) 輔助電源</b></p><p>　　輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電</p><p><b>　　壓。</b>

63、;</p><p><b>　　(5) 保護電路</b></p><p>　　保護電路主要具有：輸入過壓保護、欠壓保護功能；輸出過壓保護、欠壓保</p><p>　　護功能；過載保護功能；過電流和短路保護功能。</p><p><b>　　(6) 逆變主電路</b></p><p

64、>　　逆變主電路主要是根據(jù)變化的驅(qū)動控制脈沖得到變化的高壓交流脈沖，即把穩(wěn)定的直流電壓變換為交流脈沖電壓，完成逆變?，F(xiàn)普遍使用的單相逆變主電路為全橋式逆變電路。</p><p>　　2.1.2 逆變電路的基本工作原理</p><p>　　以單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理，圖（a）中S1~S4是橋式電路的4個臂，它們由電力電子器件及輔助電路組成，當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、

65、S3閉合時，uo為負，其波形如下圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路的最基本的工作原理。當(dāng)負載為電阻時，負載電流io和電壓uo波形形狀相同，相位也相同。當(dāng)負載為阻感負載時，io的基波相位滯后于uo的基波，兩者波形形狀也不同，圖（b）給出的就是阻感負載時的io波形。</p><p>　　圖2-2 逆變電路及其波</p><p>　　

66、設(shè)t1時刻以前S1、S4導(dǎo)通，uo和io均為正。在t1時刻斷開S1和S4,同時合上S2、S3導(dǎo)通,則uo的極性立刻變?yōu)樨?。但是，因為負載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時負載電流從直流電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感中儲存的能量向直流電源反饋，負載電流逐漸減小，到t2時刻降為零，之后io才反向并逐漸增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時的情況類似。</p><p>　　2.1.

67、3逆變電路的換流方式</p><p>　　在圖2-2的逆變電路工作過程中，在t1時刻出現(xiàn)了電流從S1到S2,以及從S3到S4的轉(zhuǎn)移。電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，也常被稱為換相。 </p><p><b>　　1、換流方式的分類</b></p><p><b>　?、倨骷Q流</b></p>

68、<p>　　利用全控型器件的自關(guān)能力進行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。</p><p><b>　　②電網(wǎng)換流</b></p><p>　　由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流?？煽卣麟娐?、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交變變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。可控整

69、流電路，無論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實現(xiàn)換流的，都屬于電網(wǎng)換流。三相交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路中的換流方式也都是電網(wǎng)換流。在換流時，只要把負的電網(wǎng)電壓施加在遇關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。</p><p><b>　?、圬撦d換流</b><

70、/p><p>　　由負載提供換流電壓稱為負載換流。負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負載換流。負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現(xiàn)負載換流。另外，當(dāng)負載</p><p>　　為同步電動機時，由于可以控制勵磁電流使負載呈現(xiàn)容性，因而也可以實現(xiàn)負載換流。</p><p>　　圖2-3 a是基本的負載換流逆變電路，四個橋臂均由晶閘管組成。其負載是電阻電感串

71、聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。在實際電路中，電容往往是為改善負載功率因數(shù)，使其略呈容性而接入的。由于在直流側(cè)傳入了一個很大的電感，因而在工作過程中可以認為基本沒有脈動。 </p><p>　　圖2-3 負載換流電路及其工作波形</p><p>　　電路的工作波形如圖2-3b所示。因為直流電流近似為

72、恒值，四個臂開關(guān)的切換使電流流通路徑改變，所以負載電流基本呈現(xiàn)為矩形波。負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。</p><p>　　工作過程：t1時刻前，S1、S4為通態(tài)，S2、S3為斷態(tài)，uo、io均為正，S2、S3上施加的電壓即為uo；t1時刻時，觸發(fā)S2、S3使其開通，uo通過S2、S3分別加到S4、S1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從S1、S4轉(zhuǎn)移到S3、S

73、2。觸發(fā)S2、S3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。</p><p><b>　　④強迫換流</b></p><p>　　設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流（Forced Commutation）。通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，也稱為電容換流。</p><p>

74、;　　直接耦合式強迫換流——由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通態(tài)時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。</p><p>　　圖2-4 直接耦合式強迫換流原理圖</p><p>　　電感耦合式強迫換流——通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。</p><p>　　兩種電感耦合式強迫換流： 圖2-5a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷

75、。</p><p>　　圖2-5b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷。 </p><p>　　圖2-5 電感耦合式強迫換流原理圖</p><p>　　給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（圖2-4）。先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流（圖2-5）。</p><p>　　當(dāng)電流不是從一個支路

76、向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。</p><p>　　2.1.4 電壓型逆變電路</p><p>　　逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。</p><p>　　圖2-6 電壓型逆變電路舉例 （全橋逆變電路）</p><p>　　電壓型逆變電路有

77、以下特點：</p><p>　　(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。</p><p>　　輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。</p><p>　　(3)阻感負載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。</p><p>　　1、單相半橋逆變電路</p>&l

78、t;p>　　工作原理：V1和V2柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏、半周反偏，且二者互補。當(dāng)負載為感性時，其工作波形如圖2-7b所示。輸出電壓uo為矩形波，幅值為 Um=Ud/2，輸出電流io波形隨負載而異。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時，負載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負載提</p><p>　　供能量；而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時，負載電流和電壓反向，負載電感中儲存的能量向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管，還

79、使負載電流連續(xù)，因而又稱續(xù)流二極管。 </p><p>　　圖2-7 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形&

80、lt;/p><p>　　優(yōu)點：簡單，使用器件少。</p><p>　　缺點：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。</p><p>　　單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。</p><p><b>　　2、全橋逆變電路<

81、/b></p><p>　　電壓型全橋逆變電路如圖2-8a可以看成由兩個半橋電路的組合而成。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°。輸出電壓uo波形和圖2-8b的半橋電路的波形uo形狀相同，但其幅值高出一倍，Um=Ud。輸出電流io波形和圖2-8b中的i0形狀相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。</p><p>　　輸

82、出電壓波形的的定量分析：</p><p>　　把幅值為Ud的矩形波u0展開成傅里葉級數(shù)得</p><p>　　其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為</p><p>　　上述公式對于半橋逆變電路也是適用的，只是式中的Ud要換成Ud/2。</p><p>　　uo為正負電壓各180°的脈沖時，要改變輸出電壓有效值只能改變直流

83、電壓Ud來實現(xiàn)。</p><p>　　在阻感負載時，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式成為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在圖2-6a的單相全橋逆變電路中， 各IGBT的柵極信號為180°正偏，180°反偏，且V1和V2的柵極信號互補，V3和V4的柵極信號互補。V3的基極信號比V1落后θ（0<θ<180

84、°)，V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移了180°－θ，輸出電壓uo是正負各為的脈沖，改變θ即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。各IGBT的柵極信號uG1~uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形如圖2-6b所示。</p><p>　　圖2-8 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式</p><p>　　2.1.5逆變電路的調(diào)制方式</p><p><

85、;b>　　1.方波控制</b></p><p>　　方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波，占空比不可調(diào)。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點是線路比較簡單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量很少。這類逆變器還有調(diào)壓范圍不夠?qū)?，保護功能不夠完善，噪聲比較大等缺點，設(shè)計功率一般在百瓦至千瓦之間。</p><p><b>　　2. SPWM調(diào)制</b>&l

86、t;/p><p>　　SPWM法就是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。</p><p>　　3 .SVPWM調(diào)制</p><p>　　SVPWM (空間電壓矢量控制PWM)調(diào)制也叫

87、磁通正弦PWM法，它以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān),形成PWM波形。此法從電動機的角度出發(fā),把逆變器和電機看作一個整體,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制,使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通)。它提出主要是為解決電機變頻驅(qū)動問題，現(xiàn)已被用到PWM逆變和PWM整流技術(shù)中。</p><p&

88、gt;　　2.2 PWM控制技術(shù)</p><p>　　2.2.1 PWM控制的基本原理</p><p>　　理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。</p><p>　　圖2-9 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p>

89、;<p><b>　　面積等效原理：</b></p><p>　　分別將如圖2-9所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖4-2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖2-9b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，脈沖形狀不同時i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，

90、則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 </p><p>　　圖2-10 沖量相同的各種窄脈沖的影響波形</p><p>　　用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相

91、等，寬度按正弦規(guī)律變化。</p><p>　　SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。</p><p>　　圖2-11 用PWM波代替正弦半波</p><p>　　要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。</p><p>　　等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，如

92、直流斬波電路及PWM逆變電路， PWM整流電路。輸入電源是交流，得到不等幅上的PWM波。</p><p>　　SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。</p><p>　　2.2 .2正弦脈寬調(diào)制的生成　</p><p>　　PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的

93、幾乎都是電壓型。</p><p><b>　　1、計算法和調(diào)制法</b></p><p><b>　　1）計算法</b></p><p>　　根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。</p><p>　　缺點：繁瑣

94、，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化</p><p><b>　　2）調(diào)制法</b></p><p>　　輸出波形作調(diào)制信號，進行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求

95、。</p><p>　　調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。</p><p>　　結(jié)合IGBT控制電壓型逆變器為阻感負載時，作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補。</p><p>　　控制規(guī)律：uo正半周，V1保持通態(tài)，V2保持斷態(tài)，V3和V4交替通斷，因為負載電流比電壓滯后，因此在電壓

96、正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。在負載電流為正區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時，負載電壓uo等于Ud；V4關(guān)斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0。在負載電流為負的區(qū)間，仍為V1和V4導(dǎo)通時，因io為負，故io實際上從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud；V4關(guān)斷，V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0，這樣uo總可得到Ud和零兩種電平。</p><p>　　uo負半周，讓V2保持通態(tài)，V1保持斷態(tài)，V

97、3和V4交替通斷，負載電壓uo可得-Ud和零兩種電平。</p><p>　　圖2-12單相橋式PWM逆變電路</p><p>　　單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：</p><p>　　調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波。在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。在ur正半周，V1保持通態(tài)，V2保持斷態(tài)，當(dāng)

98、ur＞uc時使V4導(dǎo)通，V3斷開，uo=Ud；當(dāng)ur＜uc時使V4斷開，V3導(dǎo)通，uo=0。在ur負半周，V1保持斷態(tài)，V2保持通態(tài)，當(dāng)ur＜uc時使V3導(dǎo)通，V4斷開，uo=﹣Ud；當(dāng)ur＞uc時使V3斷開，V4導(dǎo)通，uo=0，虛線uof表示u0的基波分量。波形見圖2-13。</p><p>　　圖 2-13 單極性PWM控制方式波形</p><p>　　雙極性PWM控制方式（單相橋逆變

99、）：</p><p>　　在ur半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負。在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有±Ud兩種電平，仍在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點控制器件通斷。ur正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，當(dāng)ur>uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號，如io>0，則V1和V4導(dǎo)通，如io<0，則VD1和VD4導(dǎo)通，uo=Ud。當(dāng)ur<uc時，給

100、V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號，如io<0，則V2和V3通，如io>0，則VD2和VD3導(dǎo)通，uo=﹣Ud。波形見圖2-14。</p><p>　　圖2-14雙極性PWM控制方式波形</p><p>　　2.2.3規(guī)則采樣法</p><p>　　按SPWM基本原理，自然采樣法中要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應(yīng)用不多。<

101、;/p><p>　　圖2-15規(guī)則采樣法</p><p>　　規(guī)則采樣法特點是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算了卻比自然采樣法小的多。</p><p>　　規(guī)則采樣法原理：圖2-15，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期tc。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期中點（即負峰點）重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖中點為相應(yīng)三角波中點，計算大為簡化

102、。三角波負峰時刻td對信號波采樣得D點，過D作水平線和三角波交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制器件的通斷，脈沖寬度和δ用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。</p><p>　　規(guī)則采樣法計算公式推導(dǎo)：</p><p>　　正弦調(diào)制信號波公式中，a稱為調(diào)制度，0≤a＜1；ωr為信號波角頻率。</p><p>　　因此可得：

103、 (2.1) </p><p>　　三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度</p><p>　　(2.2) </p><p>　　2.2.4同步調(diào)制和異步調(diào)制</p><p>　　在SPWM逆變器中，載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比N＝fc/fr，稱為載波比。根據(jù)載波和信號波

104、是否同步及載波比的變化情況，SPWM逆變器調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。</p><p><b>　　1 異步調(diào)制</b></p><p>　　載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式即為異步調(diào)制。通常保持載波頻率fc固定不變，當(dāng)調(diào)制信號頻率fr變化時，載波比N是變化的。當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，當(dāng)fr增高時，N減小，一周期

105、內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動。同時，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞。對于三相逆變器來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，從而改善輸出特性。</p><p><b>　　2 同步調(diào)制</b></p><p>　　載波比N等于常數(shù)

106、，并在變頻時使載波和信號波保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在同步調(diào)制方式中，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。在三相SPWM逆變電路中通常共用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。</p><p><b>　　3 分段同步調(diào)制</b></p><p>　　為了克服上述缺點，通常采用分段同步調(diào)制的方法，即把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)

107、保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低；為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法。</p><p>　　同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。</p><p>　　4.5 TM

108、S320F2812DSP PWM信號的產(chǎn)生</p><p>　　為產(chǎn)生PWM信號，定時器需要重復(fù)按照PWM周期進行計數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，該值一直與定時器計數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個值匹配時，PWM輸出就會產(chǎn)生跳變。當(dāng)兩個值產(chǎn)生第二次匹配或定時器周期結(jié)束時，會產(chǎn)生第二次輸出跳變。通過這種方式可以產(chǎn)生周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號。在比較單元中重復(fù)完成計數(shù)、匹配輸出的過程，就產(chǎn)生了PWM信號。</p&

109、gt;<p>　　第三章 系統(tǒng)組成及各部分原理</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)控制方案</b></p><p>　　系統(tǒng)使用的是DSP作為控制器，采用單片機產(chǎn)生SPWM波控制全橋逆變電路中的4個全控型器件IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷來產(chǎn)生逆變，并通過其內(nèi)部自帶的8位高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣負載兩端電壓，該負載兩端的電壓是經(jīng)過降壓和整流之后的，然后送到單片

110、機中進行處理，該系統(tǒng)采用BANG—BANG控制理論思想，通過對軟件的合理優(yōu)化配置，使系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的達到設(shè)定值，并具有很高的抗干擾能力。</p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.1主電路硬件結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　本次設(shè)計采用

111、直流信號源，并經(jīng)過大電容穩(wěn)壓之后，送給晶閘管進行逆變，主電路采用電壓源型全橋逆變電路和LC濾波電路，其中控制方式采用正弦脈寬調(diào)試SPWM，DSP產(chǎn)生一路SPWM信號，控制其中的一對晶閘管，另一對晶閘管的控制方式為上一SPWM信號的取反，并且其間加有硬件死區(qū)電路，以避免上下兩橋臂同時導(dǎo)通，造成直流側(cè)短路。開關(guān)管S1,S4門極送第一個SPWM信號，S2，S3送第二個SPWM信號，分別控制4個IGBT在不通時刻導(dǎo)通與關(guān)斷，從而產(chǎn)生交流電壓。交

112、流電壓經(jīng)過RC濾波電路進行高次諧波的濾除，輸出為正弦交流電壓。</p><p>　　開關(guān)過程分析：某一時刻，開關(guān)S1、S4閉合,S2、S3關(guān)斷,負載電壓uo為正；下一時刻，當(dāng)開關(guān)S1、S4關(guān)斷,S2、S3閉合，uo為負，這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。</p><p>　　圖 3-2 系統(tǒng)總體電路圖</p><p>