变频器电流跟踪PWM控制.docx

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变频器电流跟踪PWM控制

摘要

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。

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）主电路选择、参数计算及器件选型。

（2）控制电路选择、参数计算及器件选型。

（3）运用MATLAB/Simulink软件进行仿真，校验。

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2.1。

图2.1三相异步电机调速系统框

（2）主电路采用交直交结构如下图2.2。

图2.2交直交结构主电路

图2.3三相电流跟踪型PWM逆变电路

（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。

如图2.4。

2.2电流滞环跟踪控制原理

现在以A相电流滞环跟踪控制为例，其控制结构图如下图2.4。

图2.4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2.5。

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2.5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图2.6。

图2.6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2.7三相电流跟踪型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

（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单相电流跟踪控制逆变器仿真

为验证上述原理，先做单相。

单相跟踪控制逆变器仿真模型如图3.1。

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输出电压

3.3三相电流跟踪滞环控制仿真

（1）仿真模型如下图3.6。

（2）由图3.6，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）图3.7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3.6三相电流滞环控制仿真模型

图3.7逆变器子模块

（4）逆变器模型各参数如下表3-1所示：

表3-1跟踪控制逆变器模型参数

模块

参数名

参数值

直流电源DC

Amplitude/V

100

阻感模块RL

Resistance/Ω

0.5

Inductance/H

0.005

正弦波模块sinewave

Amplitude

20

Frequence/（red/s）

2*pi*50

图3.8给定正弦波参数

图3.9滞环控制H参数设置

仿真之后得到下列波形，如下图3.11到3.16：

图3.11三相电流给定值

图3.12三相电流跟踪逆变器电流波形

图3.13A相电压输出

3.4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

本设计完成了题目要求的基本部分的全部要求。

发挥部分的因为时间和制作材料的短缺而没有进行尝试，在今后条件允许的情况下再扩展。

基本部分各单元工作稳定。

通过这次设计使我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。

创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。

使之不断地战胜别人，超越前人。

同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。

设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。

这次的课程设计让我了解到了MATLAB这个软件强大的科学计算能力，让我掌握了MATLAB简单易用的编程语言，让我体验到了MATLAB友好的工作平台和编程环境。

这个的课程设计让我了解了MATLAB的一般操作步骤，能比较熟练地运用MATLAB对电路原理中的一些问题进行仿真，并能够用一些简单的画图函数生成仿真的图像。

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]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.

[2]王兆安黄俊主编《电力电子技术》（第4版）北京：

机械工业出版社，2002.

[3]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.

[4]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.

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）