变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真.docx
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变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真
课程设计报告书
题目：
变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真
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变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真
摘要:
脉冲宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉宽调制是开关型稳压电源中的术语。
这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。
脉宽调制式开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
现代变频器中用得最多的是控制技术是脉冲宽度调制（PWM），其基本思想是：
控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。
传统的PWM技术是用正弦波来调制等腰三角波，称为正脉冲宽度调制，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术。
CFPWM的控制方法是：
在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波。
本设计中采用得最多的是控制技术是脉冲宽度调制（PWM），其基本思想是：
控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。
传统的PWM技术是用正弦波来调制等腰三角波，称为正脉冲宽度调制，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术。
CFPWM的控制方法是：
在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波。
最后利用利用MATLAB/SIMULINK对整个系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。
关键词:
异步电机；电流控制；脉宽调制；CFPWM
前言
课程设计的目的是为了让学生熟悉电机相关的基础知识及电力拖动的相关概念，并利用小型的控制系统对电机传动与控制课理论知识的再现，让学生体会电机在小型控制系统中应用的广泛性，为今后实际工程中应用的广泛性，为今后实际工程中应用电机奠基基础。
1设计任务和要求
1.1设计任务
设计一通用型变频器的主电路和控制电路组成系统，对异步电机进行变频调速，完成变频器主电路设计，主电路可选用交-直-交结构，进行参数计算和器件选型。
完成变频器控制电路设计，对逆变部分控制方式采用电流跟踪控制（CFPWM）。
利用MATLAB/SIMULINK对整个系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。
1.2任务要求
（1）变频器所带的异步电机负载技术参数：
UN=380V，IN=1.67A，PN=1.1KW，连续工作制。
（2）完成变频器主电路设计，主电路可选用交-直-交结构，进行参数计算和器件选型。
（3）完成变频器控制电路设计，对逆变部分控制方式采用电流跟踪控制（CFPWM）,采用模拟器件实现，采用单片机实现。
（4）频率变化范围2-50HZ连续可调，动态响应快。
（5）采用Matlab/Simulink对整个系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。
2总体设计
2.1系统组成框图
1）三相异步电机调速系统结构图如下图
图1三相异步电机调速系统框
2）主电路采用交直交结构如下图
图2交直交结构主电路
3）控制电路采用单片机控制EXB841驱动芯片驱动IGBT，芯片EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驱动模块，整个电路延迟时间不超过Ip，最高工作频率达40~50kHz，它只需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个-5V反偏压，模块采用高速光藕隔离且有短路保护和慢速关断功能，利用单片机控制来控制它产生触发脉冲来驱动IGBT。
2.2电流滞环跟踪控制原理
以A相电流滞环跟踪控制为例，其控制结构图如下图
图3电流跟踪控制A相原理图
其中电流控制器是带滞环的比较器，环宽为h，将给定电流ia与输出电流i*a进行比较，电流偏差△ia超过±0.5h时，经滞环控制器（HBC）控制逆变器A相上、下桥臂的功率开关器件动作。
设比较器的滞环宽度为h，当输出电流i*a比给定电流ia大时，且误差大于0.5h时，滞环比较器输出负电平，驱动开关器件VT1关断，VT2导通，使实际电流减小。
当减小到与给定电流相等时，滞环比较器仍保持负电平输出，VT1保持关断，实际电流继续减小，直到误差大于0.5h时，滞环控制器翻转，输出正电平信号，开关器件VT1导通，VT2关断，使实际电流增大，一直增大到带宽的上限。
以上过程重复进行，这样交替工作，实际电流与给定电流的偏差保持在-0.5h-+0.5h之间，并在给定电流上下作锯齿状变化，达到跟踪电流的目的。
2.3滞环宽度分析
1）采用电流滞环跟踪控制的PWM波形，如下图
图中给出了在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4电流滞环跟踪控制时的电流波形
2）电流滞环跟踪控制波形的几何关系，如下图
图5电流滞环跟踪控制波形的几何关系
3）由上图可知逆变器的开关频率与电流波动幅值成反比，即与环宽成反比，环宽越小，开关频率f越高，实际电流值越接近给定电流，此时电流追踪性能越好。
图6三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形
4）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。
5）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。
2.4电流滞环跟踪控制的特点
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。
采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM交流电路有以下特点：
（1）硬件电路简单；
（2）属于实时控制方式，电流反应快；
（3）不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；
（4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；
（5）属于闭环控制，这是各种跟踪型PWM交流电路的共同特点。
3电流的滞环跟踪控制的SIMULINK的仿真
3.1仿真软件介绍
1 MATLAB介绍
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
2 MATLAB重要功能
MATLAB:
统一了用于一维、二维与三维数值积分的函数并提升了基本数学和内插函数的性能
MATLABCompiler：
可以下载MATLABCompilerRuntime（MCR），简化编译后的程序和组件的分发
ImageProcessingToolbo：
通过亮度指标优化进行自动图像配准
StatisticsToolbox：
增强了使用线性、广义线性和非线性回归进行拟合、预测和绘图的界面
SystemIdentificationToolbo：
识别连续时间传递函数
3.2三相电流跟踪滞环控制仿真
1）仿真模型如下图
2）由图7，在电流滞环跟踪PWM逆变器仿真模型中，给定电流ia与输出电流i*a经滞环比较后产生开关变量sinWave1、sinWave2、sinWave3，以控制桥臂上下开关器件的导通和关断。
给定的正弦信号，其幅值为20A，频率为50Hz，相位互差2π/3，如图所示Relay为滞环比较器，当比较器的输入大于正的阀值时，比较器输出为1；小于负的阀值时，输出为0。
3）是电流滞环跟踪PWM逆变器仿真模型中的子模块，被封装Subsystem模块中。
图7三相电流滞环控制仿真模型
图8逆变器子模块
5）逆变器模型各参数如下表所示
4）模块
5）参数名
6）参数值
7）直流电源DC
8）Amplitude/V
9）100
10）阻感模块RL
11）Resistance/Ω
12）0.5
14）Inductance/H
15）0.005
16）正弦波模块sinewave
17）Amplitude
18）20
20）Frequence/（red/s）
21）2*pi*50
表跟踪控制逆变器模型参数
图9滞环控制H参数设置
仿真结果：
图10PWM电压波形
图11PWM电流波形
图11PWM电压波形
图12PWM电流波形
3.3仿真结果分析
通过MATLAB/SIMULINK进行了仿真，由仿真结果可见,电流滞环跟踪PWM控制电流响应快，动态性能好，不用载波，方法简单，可以取代传统的SPWM电压型逆变器，用于逆变器的控制系统中。
另外，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。
4.总结
通过了本次课程设计，我学会了使用simulink来解决一些电力电子仿真，一道很基础简单的电力电子题目，让我对一款很软件有了一个比较系统的认识，这对我以后的学习和研究会产生很好的影响。
本来一个复杂的系统，通过simulink仿真可以很快的知道结果，同时可以对系统的一些参数进行调节可以得到跟好的仿真结果，这对研究复杂系统起到了很好的辅助作用，对复杂系统参数的选定也起到了很大的作用。
这一切都让我对这款软件产生了极高的好感。
总而言之，使我对MATLAB有了更加深入的理解，它在自动化等电子专业中的应用是如此广泛，而对于本专业来说更是一个不可或缺的工具。
我相信，通过对MATLAB的加强学习对以后专业知识的学习一定有更加大的帮助。
参考文献：
[1]陈伯时主编《电力拖动控制系统》（第3版）北京：
机械工业出版社，2010.
[2]黄忠霖黄京《控制系统MATLAB计算机及仿真》（第3版）北京：
国防工业出版社，2009.
[3]王兆安刘进军主编《电力电子技术》（第5版）北京：
机械工业出版社，2009.
[4]刘卫国主编《MATLAB程序设计与应用》（第2版）北京：
高等教育出版社，2006.
[5]洪乃刚主编《电力电子，电机控制系统的建模和仿真》北京：
机械工业出版社，2002.
[6]辜承林陈乔夫熊永前《电机学》（第3版）武汉：
华中科技大学出版社，2009.
致谢：
在设计过程中，我们通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
工作日程
日期
主要工作
2016年12月19日~12月19日
2016年12月19日~12月19日
下达任务书，任务布置及设计要求说明
月日~月日
文献追踪、调研,方案设计;
月日~月日
系统设计
月日~月日
仿真、调试及设计报告初稿撰写
月日~月日
答辩、成绩考核
电气与电子类课程设计成绩评定表
评定项目
内容
满分
评分
总分
出勤与学习态度
按时出勤，严格遵守纪律，学习认真，态度端正
15
设计情况
能够认真查阅资料，勤学好问
10
具有提出问题和解决问题的能力，设计方案论证充分、合理
15
工作量饱满，各模块设计正确，结果能够达到课程设计任务书规定的要求
20
设计报告情况
设计报告能够按时提交，内容完整
5
撰写认真，图、表、文字表达准确、规范、清楚
10
论述恰当、充分，结论合理，心得体会深刻
10
答辩情况
基本概念清楚，回答问题准确，有理有据，有一定深度
15
总体评价
采用五级分制：
优、良、中、及格、不及格
指导教师签名：
年月日
答辩小组组长签名：
年月日
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