三相四桥臂逆变器在非对称负载下的控制策略及其实现
|
摘要
随着电力电子技术的发展，采用PWM三相三桥臂逆变电路把直流转换为交流供给三相负载是一种目前常用的方法。但这种方法没有中线。对于三相对称负载(如三相交流电机)可以得到三相对称的相电压。但是如果三相负载不对称就会造成相电压不平衡。为此需要设置三相中线，通过中线的控制来保证在非对称负载下三相相电压的对称。近些年一种采用三相四桥臂逆变器的方案受到关注。这种三相四桥臂逆变器结构紧凑、体积重量小、效率高，在增加一个桥臂的同时，也增加了一个自由度，因而其控制也变得比较复杂。
本文在总结、分析其它控制方法的基础上，建立了三维空间矢量控制方法。与其它控制方法相比，该方法具有电压利用率高、开关频率相对较低、控制灵活、便于数字控制实现等优点。
在三维空间矢量控制算法中，本文对采样矢量的区间判别、特定矢量作用时间的计算和开关管的作用时序等进行了公式推导并计算出了各桥臂上开关管导通的持续时间。通过对三相四桥臂逆变器进行数学建模、分析，采用了电压负反馈和电流正反馈补偿的双闭环反馈控制方案。基于空间矢量控制算法的非线性和智能控制的优越性，本文应用模糊控制PID设计了电压调节器和电流调节器。应用Simulink中Power System Block set模块搭建电路模型，进行仿真。仿真结果证明该方法具有良好的控制效果。
本文以TMS320LF2407A DSP芯片为平台，实现了三维空间矢量控制算法。应用其PDPINTA功率驱动保护中断输入引脚，实现了主电路的过电流保护；应用其A/D端口，对反馈电压、电流进行采样；利用其事件管理器A中的两路通用定时器比较输出和三个全比较单元的六路比较输出，实现了八路SVPWM触发脉冲输出。
在模糊调节器的设计中，依据模糊化中最大隶属度思想，根据各输入的隶属函数确立了模糊变量的范围；依据解模糊中MIN-MAX-重心法思想，根据PID各参数的隶属函数对模糊输出进行整定，应用查表的方式实现了模糊PID调节器的设计。
论文还详细的设计了三相四桥臂逆变器的主电路、驱动电路、保护电路等，并对硬件电路及软件电路进行调试，实验结果证明了该系统设计合理。
With the development of electric power and electron technology, that adopting the PWM three- phase three bridges inverter to making DC to AC for three-phase loads is in common used at present. For it has not neutral line, only symmetrical loads of three-phase (such as AC Motor) can get the symmetrical three-phase voltage. When the three-phase loads are asymmetric, three- phase voltage is unbalanced. For that reason, it is needed that using neutral line to assure three-phase voltage is balanced. In recent years, three-phase four bridges inverter is paid close attention. This inverter has the merit of compact structure, small bulk factor and efficient. Three-phase four bridges inverter added a bridge based on three-phase three bridges inverter, has a more complex control method.
Based on analyzing other control methods, this paper designed three dimension space vector PWM algorithm. Compared with other ways, this method has some merits of high efficiency, low IGBT frequency, easy to control and digitalization.
During designing three-dimension SVPWM, this paper narrate which district does the sample vector belong to, how to calculate the time of eigenvector working and the sequence of IGBT's turn on or turn off. Building the model to three-phase four bridges inverter in three dimension space and analysis it, this paper use double loop regulator that is voltage negative feedback and current positive feedback to control this inverter. Thinking that this algorithm is nonlinear and the advantage of artificial intelligence, this paper use fuzzy logic to design its regulator. Simulated this model with Matlab, the result proved the three-dimension SVPWM was fit for controlling three-phase four bridges inverter.
The control circuit was designed using TMS320LF2407A DSP. By the help of this chip, it realized the algorithm. Use the chip's protected input to realize the protect of main circuit's big current. Use the chip's A/D module to sample the phase voltage and phase current. Use the chip's Event A module to realize the eight PWMs output. Base on the principle of fuzzy logic control, this paper made a table to calculate every input and every output. It is simple to realize using assemble language.
The main circuit, protective circuit and drive circuit are designed in this paper in detail. By debugging the hardware and software, experiment results expressed that all the design are reasonable.
本文在总结、分析其它控制方法的基础上，建立了三维空间矢量控制方法。与其它控制方法相比，该方法具有电压利用率高、开关频率相对较低、控制灵活、便于数字控制实现等优点。
在三维空间矢量控制算法中，本文对采样矢量的区间判别、特定矢量作用时间的计算和开关管的作用时序等进行了公式推导并计算出了各桥臂上开关管导通的持续时间。通过对三相四桥臂逆变器进行数学建模、分析，采用了电压负反馈和电流正反馈补偿的双闭环反馈控制方案。基于空间矢量控制算法的非线性和智能控制的优越性，本文应用模糊控制PID设计了电压调节器和电流调节器。应用Simulink中Power System Block set模块搭建电路模型，进行仿真。仿真结果证明该方法具有良好的控制效果。
本文以TMS320LF2407A DSP芯片为平台，实现了三维空间矢量控制算法。应用其PDPINTA功率驱动保护中断输入引脚，实现了主电路的过电流保护；应用其A/D端口，对反馈电压、电流进行采样；利用其事件管理器A中的两路通用定时器比较输出和三个全比较单元的六路比较输出，实现了八路SVPWM触发脉冲输出。
在模糊调节器的设计中，依据模糊化中最大隶属度思想，根据各输入的隶属函数确立了模糊变量的范围；依据解模糊中MIN-MAX-重心法思想，根据PID各参数的隶属函数对模糊输出进行整定，应用查表的方式实现了模糊PID调节器的设计。
论文还详细的设计了三相四桥臂逆变器的主电路、驱动电路、保护电路等，并对硬件电路及软件电路进行调试，实验结果证明了该系统设计合理。
With the development of electric power and electron technology, that adopting the PWM three- phase three bridges inverter to making DC to AC for three-phase loads is in common used at present. For it has not neutral line, only symmetrical loads of three-phase (such as AC Motor) can get the symmetrical three-phase voltage. When the three-phase loads are asymmetric, three- phase voltage is unbalanced. For that reason, it is needed that using neutral line to assure three-phase voltage is balanced. In recent years, three-phase four bridges inverter is paid close attention. This inverter has the merit of compact structure, small bulk factor and efficient. Three-phase four bridges inverter added a bridge based on three-phase three bridges inverter, has a more complex control method.
Based on analyzing other control methods, this paper designed three dimension space vector PWM algorithm. Compared with other ways, this method has some merits of high efficiency, low IGBT frequency, easy to control and digitalization.
During designing three-dimension SVPWM, this paper narrate which district does the sample vector belong to, how to calculate the time of eigenvector working and the sequence of IGBT's turn on or turn off. Building the model to three-phase four bridges inverter in three dimension space and analysis it, this paper use double loop regulator that is voltage negative feedback and current positive feedback to control this inverter. Thinking that this algorithm is nonlinear and the advantage of artificial intelligence, this paper use fuzzy logic to design its regulator. Simulated this model with Matlab, the result proved the three-dimension SVPWM was fit for controlling three-phase four bridges inverter.
The control circuit was designed using TMS320LF2407A DSP. By the help of this chip, it realized the algorithm. Use the chip's protected input to realize the protect of main circuit's big current. Use the chip's A/D module to sample the phase voltage and phase current. Use the chip's Event A module to realize the eight PWMs output. Base on the principle of fuzzy logic control, this paper made a table to calculate every input and every output. It is simple to realize using assemble language.
The main circuit, protective circuit and drive circuit are designed in this paper in detail. By debugging the hardware and software, experiment results expressed that all the design are reasonable.
引文
[1]陈坚 电力电子学—电力电子变换和控制技术 高等教育出版社 2003
[2]李爱文，张承慧 现代逆变技术及其应用 科学出版社 2000
[3]陈道炼 DC-AC逆变技术及其应用 机械工业出版社 2003
[4]邱关源 电路(第4版) 高等教育出版社 2004
[5]刘凤君 三相四桥臂逆变器 电源技术应用 2002．5(1-2)p1-4
[6]杨宏，阮新波，严仰光 采用最大误差电流调节的四桥臂三相逆变器 电力电子技术 2003．37(1)p32～34
[7]张晋颖 基于重复控制和PI双闭环控制的三相四桥臂逆变器 燕山大学硕士论文 2006 P9
[8]孙进 三相四臂对逆变电源控制研究 电工技术学报 2004．4 p61～65
[9]龚春英，熊宇，郦鸣等 四桥臂三相逆变电源的三维空间矢量控制技术研电工技术学报 2004．19(12)p29～36
[10]李华德 交流调速控制系统 电子工业出版社 2004
[11]孙进，宋聚明等 针对不平衡负载三相逆变电源控制方法的研究 电工电能新技术 2003．22(1)，P29～60
[12]陈伯时 电力拖动自动控制系统(第二版)机械工业出版社 2003
[13]王水平，史俊杰，田庆安 开关稳压电源—原理、设计及使用电路 西安电子科技大学出版社(修订版) 2005 P35
[14]谢宝昌，任永德 电机的DSP控制技术及其应用 北京航空航天大学出版社 2005
[15]张卫宁 TMS320C2000系列DSPs原理及应用 国防工业出版社 2002 P2
[16]刘和平，王维俊，江渝等TMS320LF240X DSP C语言开发应用 北京航空航天大学出版社 2003 P2
[17]Andrew Bateman Iain Paterson-Stephens The DSP Handbook Algorithm, Applications and Design Techniques机械工业出版社 2004 P13
[18]韩安太，刘峙飞，黄海DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用清华大学出版社 2003，P142
[19] 王成元 矢量控制交流伺服驱动电动机 机械工业出版社 1995
[20] V.Himamshu Parasd, Dushan Boroyevich, Richard Zhang Analysis and Co-mparison of Space Vector Modulation Scheme for a Four-Leg Voltage Source Inverter IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL 2 Feb.1997 P864～869
[21] Dong-Chong Lee AC Voltage and Current Sensorless Control of Three-Phase PWM Rectifiers IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.17.NO.6.Nov.2002 P883～890
[22] Michael J.Ryan, Rik W.De Doncker, Robert D.Lorenz Decouple Control of a Four-Leg Inverter via a New 4~*4 Transformation Matrix IEEE TRANSAC-TIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.16.NO.5.Sep.2001 P694～700
[23] Jae Hyeong Seo, Chang Ho Choi, Dong Seok Hyun A New Simplified Space-Vector PWM Method for Three-Level Inverters IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.16.NO.4.July.2001 P545～549
[24] Jun Chen, D.T.NgoGraphical Phasor Analysis of Three-Phase PWM Converters IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.16.NO.5.Sep.200 P659～665
[25] Bimal K．Bose Modern Power Electronics and AC Drivers 机械工业出版社 2002
[26] 赵良炳 现代电力电子技术基础 清华大学出版社 1995
[27] 黄俊，王兆安 电力电子变流技术(第三版)2002
[28] 林渭勋 现代电力电子电路 浙江大学出版社 2002
[29] 李士勇模糊控制、神经控制和智能控制论 哈尔滨工业大学出版社 1998
[30] 胡寿松 自动控制原理(第三版)国防工业出版社 2001
[31] 曹柱中，徐薇莉 自动控制理论与设计 上海交通大学出版社 1997
[32] 段广仁 线性系统理论(第二版) 哈尔滨工业大学出版社 2004
[33] 叶慧贞，杨兴舟 开关稳压电源 国防工业出版社 1995
[34]聂代祚新型电力电子器件 兵器工业出版社 1994
[35]刘和平，严利平，张学锋TMS320LF240X DSP结构、原理及应用 北京航空航天大学出版设 2002
[36]王晓明，王玲 电动机的DSP控制—TI公司DSP应用 北京航空航天大学出版社 2004
[37]薛定宇，陈阳泉 基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用 清华大学出版社 2002
[38]刘金锟先进PID控制MATLAB仿真(第二版) 电子工业出版社 2004
[39]求是科技 单片机典型外围器件及应用实例 人民邮电出版社 2006
[40]张乃国 电源技术 中国电力出版社 1998
[41]陈建业 电力电子电路的计算机仿真 清华大学出版社 2003
[42]季昱，林俊超，余本善DSP嵌入式应用系统开发典型实例 中国电力出版社 2005
[43]陈怀琛，吴大正，高西全MATLAB及在电子信息课程中的应用(第二版)电子工业出版社 2005
[44]李真芳，苏涛，黄小宇DSP程序开发—MATLAB调试及直接目标代码生成 西安电子科技大学出版社 2003
[45]周志敏，周纪海 开关电源实用技术设计与应用 人民邮电出版社 2006
[46]周荷琴，吴秀清 微型计算机原理与接口技术(第三版) 中国科学技术大学出版社 2004
[2]李爱文，张承慧 现代逆变技术及其应用 科学出版社 2000
[3]陈道炼 DC-AC逆变技术及其应用 机械工业出版社 2003
[4]邱关源 电路(第4版) 高等教育出版社 2004
[5]刘凤君 三相四桥臂逆变器 电源技术应用 2002．5(1-2)p1-4
[6]杨宏，阮新波，严仰光 采用最大误差电流调节的四桥臂三相逆变器 电力电子技术 2003．37(1)p32～34
[7]张晋颖 基于重复控制和PI双闭环控制的三相四桥臂逆变器 燕山大学硕士论文 2006 P9
[8]孙进 三相四臂对逆变电源控制研究 电工技术学报 2004．4 p61～65
[9]龚春英，熊宇，郦鸣等 四桥臂三相逆变电源的三维空间矢量控制技术研电工技术学报 2004．19(12)p29～36
[10]李华德 交流调速控制系统 电子工业出版社 2004
[11]孙进，宋聚明等 针对不平衡负载三相逆变电源控制方法的研究 电工电能新技术 2003．22(1)，P29～60
[12]陈伯时 电力拖动自动控制系统(第二版)机械工业出版社 2003
[13]王水平，史俊杰，田庆安 开关稳压电源—原理、设计及使用电路 西安电子科技大学出版社(修订版) 2005 P35
[14]谢宝昌，任永德 电机的DSP控制技术及其应用 北京航空航天大学出版社 2005
[15]张卫宁 TMS320C2000系列DSPs原理及应用 国防工业出版社 2002 P2
[16]刘和平，王维俊，江渝等TMS320LF240X DSP C语言开发应用 北京航空航天大学出版社 2003 P2
[17]Andrew Bateman Iain Paterson-Stephens The DSP Handbook Algorithm, Applications and Design Techniques机械工业出版社 2004 P13
[18]韩安太，刘峙飞，黄海DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用清华大学出版社 2003，P142
[19] 王成元 矢量控制交流伺服驱动电动机 机械工业出版社 1995
[20] V.Himamshu Parasd, Dushan Boroyevich, Richard Zhang Analysis and Co-mparison of Space Vector Modulation Scheme for a Four-Leg Voltage Source Inverter IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL 2 Feb.1997 P864～869
[21] Dong-Chong Lee AC Voltage and Current Sensorless Control of Three-Phase PWM Rectifiers IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.17.NO.6.Nov.2002 P883～890
[22] Michael J.Ryan, Rik W.De Doncker, Robert D.Lorenz Decouple Control of a Four-Leg Inverter via a New 4~*4 Transformation Matrix IEEE TRANSAC-TIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.16.NO.5.Sep.2001 P694～700
[23] Jae Hyeong Seo, Chang Ho Choi, Dong Seok Hyun A New Simplified Space-Vector PWM Method for Three-Level Inverters IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.16.NO.4.July.2001 P545～549
[24] Jun Chen, D.T.NgoGraphical Phasor Analysis of Three-Phase PWM Converters IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.16.NO.5.Sep.200 P659～665
[25] Bimal K．Bose Modern Power Electronics and AC Drivers 机械工业出版社 2002
[26] 赵良炳 现代电力电子技术基础 清华大学出版社 1995
[27] 黄俊，王兆安 电力电子变流技术(第三版)2002
[28] 林渭勋 现代电力电子电路 浙江大学出版社 2002
[29] 李士勇模糊控制、神经控制和智能控制论 哈尔滨工业大学出版社 1998
[30] 胡寿松 自动控制原理(第三版)国防工业出版社 2001
[31] 曹柱中，徐薇莉 自动控制理论与设计 上海交通大学出版社 1997
[32] 段广仁 线性系统理论(第二版) 哈尔滨工业大学出版社 2004
[33] 叶慧贞，杨兴舟 开关稳压电源 国防工业出版社 1995
[34]聂代祚新型电力电子器件 兵器工业出版社 1994
[35]刘和平，严利平，张学锋TMS320LF240X DSP结构、原理及应用 北京航空航天大学出版设 2002
[36]王晓明，王玲 电动机的DSP控制—TI公司DSP应用 北京航空航天大学出版社 2004
[37]薛定宇，陈阳泉 基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用 清华大学出版社 2002
[38]刘金锟先进PID控制MATLAB仿真(第二版) 电子工业出版社 2004
[39]求是科技 单片机典型外围器件及应用实例 人民邮电出版社 2006
[40]张乃国 电源技术 中国电力出版社 1998
[41]陈建业 电力电子电路的计算机仿真 清华大学出版社 2003
[42]季昱，林俊超，余本善DSP嵌入式应用系统开发典型实例 中国电力出版社 2005
[43]陈怀琛，吴大正，高西全MATLAB及在电子信息课程中的应用(第二版)电子工业出版社 2005
[44]李真芳，苏涛，黄小宇DSP程序开发—MATLAB调试及直接目标代码生成 西安电子科技大学出版社 2003
[45]周志敏，周纪海 开关电源实用技术设计与应用 人民邮电出版社 2006
[46]周荷琴，吴秀清 微型计算机原理与接口技术(第三版) 中国科学技术大学出版社 2004