运动控制系统课程设计-变频器电流跟踪pwm控制设计与仿真

运动控制系统课程设计-变频器电流跟踪pwm控制设计与仿真

课程设计(论文)题目名称变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真课程名称运动控制系统学生姓名学号系、专业电气工程系、12自动化指导教师2015年9月30日\n邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业12自动化学生姓名肖利勇学号题目名称变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真设计时间2015年9月20日-2015年9月30日课程名称运动控制系统课程编号设计地点电力电子与电力拖动实验室/综合仿真实验室一、课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象.《运动控制系统课程设计》是继《电机与拖动基础》、《电力电子技术》、《自动控制原理》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。二、已知技术参数和条件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，要求如下：1．变频器所带的异步电机负载技术参数为：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)，(1)采用模拟器件实现；（2）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.利用Matlab/Simulink对整个系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。三、任务和要求（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。注意：关于设计计算的部分一律先采用A4纸手写（画图用直尺），然后打印，MATLAB软件仿真的部分一律采用A4纸打印，一起装订成课程设计报告（设计报告的格式和要求参见指导书）。注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。\n四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1、电力电子与电力拖动实验室，10套DJDK-1电力电子与电力拖动实验装置；2、DJDK-1电力电子与电力拖动实验指导书；3、MATLAB仿真软件。五、进度安排2015年9月20日-21日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2015年9月22日-21日：总体方案设计2015年9月22日-23日：各单元电路设计和参数计算2015年9月24-25日：用MATLAB仿真并系统改进2015年9月26-29日：整理并书写设计说明书2015年9月30日：答辩并考核六、教研室审批意见教研室主任（签字）：年月日七|、主管教学主任意见主管主任（签字）：年月日八、备注指导教师（签字）：学生（签字）：\n邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名肖利勇学号系电气工程系专业班级12自动化题目名称变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真课程名称运动控制系统一、学生自我总结本次运动控制系统课程设计，所研究的课程是变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真。目前电机控制应用得最多的还是结构简单和控制相对简单的通用型变频器，由于通用型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、不能四象限运行等缺点。为了克服这些缺点，本次课程设计利用PWM整流技术，用MATLAB软件对双PWM变频器进行了仿真研究。通过分析仿真波形，得出电流跟踪控制技术比电压控制的SPWM能获得更好的性能，且控制精度高、响应快、易于实现。学生签名：年月日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权重304030单项成绩指导教师评语：指导教师（签名）：年月日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。\n摘要论文研究的是电流跟踪PWM技术。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。本论文采用的是PWM控制的一种常用方法：电流滞环跟踪PWM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。采用MATLAB中的Simulink来进行建模仿真，通过对仿真结果的观察分析，可以得出电流滞环跟踪PWM控制比电压控制的SPWM能获得更好的性能，且控制精度高、响应快、易于实现。关键词：电流跟踪PWM；电流滞环跟踪PWM；电流偏差；MATLAB仿真I\n目录摘要I1绪论12总体设计22.1电流滞环跟踪控制原理22.2交-直-交PWM变频器主回路32.3电流滞环跟踪控制的特点33MATLAB仿真53.1仿真软件简介53.2建立仿真模型53.3仿真子系统模型53.4仿真结果分析74结束语10参考文献11附录12致谢1515\n1绪论SPWM控制技术以输入电压接近正弦波为目的，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电动机来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM(CurrentFollowPWM,CHPWM)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形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。在实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的宽度。电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率到的电流控制器，或者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。15\n2总体设计2.1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（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2.1图所示。图2.1电流滞环跟踪控制的A相原理图图2.1中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流 iA*与输出电流  iA  进行比较，电流偏差 ΔiA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。在t0时刻， iA < iA* ， 且ΔiA=iA* - iA≥ h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件VT1导通，变压变频器输出正电压，使iA增大。当iA增长到与iA*相等时，虽然ΔiA=0，但HBC仍保持正电平输出，VT1保持导通，使iA继续增大 。直到t=t1时刻，达到iA = iA* + h ， ΔiA  = –h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断VT1 ，并经延时后驱动VT4。但此时VT4未必能够导通，由于电机绕组的电感作用，电流iA不会反向，而是通过二极管VD4续流，使VT4受到反向钳位而不能导通，输出电压为负。此后，iA逐渐减小，直到t=t2时，iA = iA* — h，到达滞环偏差的下限值，使  HBC  再翻转，又重复使VT1导通。这样，VT1与VD4交替工作，使输出电流iA快速跟随给定值iA* ，两者的偏差始终保持在±h范围内。15\n2.2交-直-交PWM变频器主回路常用的交-直-交PWM变频器主回路结构如图2.2所示，左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压，右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电，中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。图2.2交-直-交PWM变频器主回路这种主回路只有一套可控功率级，具有结构简单、控制方便的特点，采用脉宽控制的方法，输出谐波分量小，缺点是当电动机工作在回馈制动时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升。PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。（2）转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。2.3电流滞环跟踪控制的特点15\n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。15\n3MATLAB仿真3.1仿真软件简介（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 。MATLAB Compiler：可以下载 MATLAB Compiler Runtime (MCR)，简化编译后的程序和组件的分发 。Image Processing Toolbo：通过亮度指标优化进行自动图像配准 Statistics Toolbox：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 。System Identification Toolbo：识别连续时间传递函数。3.2建立仿真模型电流滞环跟踪 PWM 逆变器仿真模型中(图见附录)，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。3.3仿真子系统模型给定电流iA与输出电流 iA*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 100Hz，相位互差 2π/3，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，比较器输出为0。15\nLogical、Logical1、Logical2为逻辑反相器，目的是为了保证同一桥臂的上下两个开关器件一个处于导通，而另一个处于截止，避免直通现象的发生。图3.1Subsystem内部图（脉冲电路图）图3.2为整流部分，L为交流侧滤波电感，电阻R为滤波电感L的等效电阻和功率开关管损耗等效电阻的合并。为了避免出现短路故障，图3.2中上下连个功率开关管的导通是互补的，即上桥臂开关管导通时，其对应的下桥臂功率开关管是关断的。图3.2Subsystem1内部图（主电路图）15\n3.4仿真结果分析建好模型之后，开始进行仿真以验证设计指标的原理，仿真结果如下：图3.3PWM电压波形图3.4PWM电流波形15\n图3.5PWM电流波形图3.6PWM电压波形通过 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 SPWM15\n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。从仿真结果可以看出，避免传统SPWM的载波方法，输出电压跟踪纹波波形间隙小，输出电流波形对给定电流波形的跟踪紧密，这样可达到控制响应快，动态性能好；输出电流有谐波，这和滞环宽度有关，但谐波较小，可保证电流的正弦性；滞环宽度越小，输出电流波形谐波小，输出电压跟踪纹波就越小，输出电流波形的正弦性越好，有利于电流闭环控制电子器件的效果。由上述分析可知，当所给环宽小时，电流跟踪控制的精度高，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。15\n4结束语通过本次课程设计，我学会了使用simulink来解决一些仿真，让我对一款很陌生的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。15\n参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].2版.北京：机械工业出版社，1992.[2]汤蕴缪.电机学[M].北京：机械工业出版社，1999.[3]陈伯时.自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，1981.[4]彭鸿才.电机原理及拖动[M].北京：机械工业出版社，1996.[5]尔桂花.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2002.[6]石良辰.MATLAB/Simulink系统仿真超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社,2003.[7]陈敏逊.近代电机调速技术[G].上海宝钢集团教育培训中心,2004.[8]孙炳达．自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2003.[9]薛山.MATLAB基础教程[M].北京：清华大学出版社,2001.15\n附录附录1仿真模型图15\n附录2Subsystem内部图（脉冲电路图）15\n附录3Subsystem1内部图（主电路图）15\n致谢在设计的过程中林立老师给予了一定的启发和指导 ，并叮嘱我们独立认真完成本次课程设计，在这次课程设计中难免遇到各种问题和不足之处，你给我们指出，这样严格的要求我们，培养我们认真，规范，严谨的作风，相信严师出高徒我们在你的带领下，我们会更进一步。在此我对你表示真诚的感谢！15