三相逆变电源数字控制技术研究硕士学位0323054

硕士学位论文三相逆变电源数字控制技术研究AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonDigitalControlTechniqueforThree-PhaseInvertersCandidate:FuJieMajor:PowerElectronicsandElectricDriveSupervisor:AssociateProf.PengLiHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,HubeiP.R.China430074April,2006独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。保密□，在____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要三相逆变器作为交流供电电源的主要部分，在办公自动化、医药、通讯及国防等各个方面发挥着极其重要的作用。它快速的动态响应、失真度小的输出电压波形，全依赖于控制系统的合理设计。全数字化控制系统的实现，为其提供了可能。本文在将负载处理为扰动的基础上，建立了三相逆变电源在静止abc、静止0、旋转dq0坐标系下的数学模型，对三种坐标系下数学模型进行了比较，并给出了状态空间平均模型。给出了单相逆变电源的状态增广系统模拟控制和数字控制方案，并以此为基础分析了将此种控制策略拓展到三相逆变电源系统中应用的可能性。提出了dq0坐标系下的三相逆变器状态增广系统模拟控制方案和数字控制方案，采用极点配置的方法设计控制器，指出这种控制方案更适合于数字控制。理论分析和仿真均证实了该控制器可以快速而有效地抑制扰动，获得高质量的输出电压。数字控制中，为解决数字处理器采样、计算延时引起的逆变电源占空比受限问题，实际系统常采用滞后一拍控制，仿真分析了滞后一拍对数字控制三相逆变器增广系统的影响，说明为了获得更好的控制效果，需要考虑滞后一拍的影响。基于前面的理论研究，将dq轴下的增广状态反馈控制方案应用在一台50Hz的三相逆变器上并进行了实验。整个控制算法采用TI公司的TMS320F240DSP芯片来实现。实验结果证明本文采用的控制方案不仅能在稳态时获得低THD的输出电压，而且在负载突变时获得了较好的动态性能。关键词：三相逆变电源模拟控制数字控制增广状态反馈控制极点配置dq0坐标系AbstractThethree-phaseinverters,whichbehaveasthemainACpowersupplies,haveplayedanimportantroleinmanyareassuchasofficialautomaticsystem,medicine,telecom,nationaldefense,andsoon.Fastresponseandlittledistortedoutputvoltageofthethree-phaseinvertersdependonproperdesignofcontrolsystem.Therealizationoffull-digitalcontrolledsystemmakesbothpossible.Supposingloadasdisturbance,mathematicmodelsofthree-phaseinvertersinabcthree-phasestatorcoordinate,0statorcoordinateand0dqrotatingcoordinateareestablishedandtheirdifferenceiscompared.Furthermore,thestatespaceaveragemodelsofthree-phaseinvertersaregiven.Thisthesishaspresentedincreasing-statefeedbackcontrolschemesbothinanalogfieldanddigitalfieldforasingle-phaseinverter.Andbasedonthisanalyzedthepossibilityofextendingthesecontrolstrategiestothree-phaseinverters.Furthermore,ithasproposedtheincreasing-statefeedbackschemesinthe0dqrotatingcoordinatebothinanalogfieldanddigitalfieldandpointedouttheincreasing-statefeedbackschemeismoresuitablefordigitalcontrol.Andthedesignofcontrollerisbasedonthepole-assignmentmethod.Theoreticalanalysisandsimulationverifythiscontrolstrategycanrestraindisturbancequicklyandhighqualityoutputwaveformcanbeobtained.Inthedigitalcontrolsystem,one-step-delaycontrolisalwaysadoptedbecausethedelaywhicharisesfromthesamplingandcalculationreducesthemaximummodulationratio.Theinfluenceofone-step-delaycontrolonincreasing-statefeedbackthree-phaseinvertersystemisanalyzedthroughsimulationandtheanalysisshowstheeffectoftheone-step-delaycontrolshouldbeconsidered.Basedonalltheaboveresearches,theincreasing-statefeedbackdigitalcontrolschemeindqframeisappliedona50Hzthree-phaseinverterexperimentalequipment.ThecontrolalgorithmisimplementedusingaTITMS320F240DSP.Experimentalresultsprovetheincreasing-statefeedbackdigitalcontrolschemeindqframeforthree-phaseinverterscanprovidenotonlylowTHDduringsteady-stateoperationbutalsogoodtransientresponsesubjecttoloadstepchange.Keywords:three-phaseinverteranalogcontroldigitalcontrolincreasing-statefeedbackcontrolpole-assignment0dqframe目录摘要……………………………………………………………………….…..ⅠAbstract………………….……….…………….……………………………..Ⅱ1绪言1.1PWM逆变器波形控制技术………………….………………….……（1）1.2逆变电源控制策略现状…………..………………….……………….（2）1.3三相逆变器控制的特殊性.…………….……..………………………（6）1.4选题依据及本文主要研究内容.…………..…….……..…………….（9）2三相PWM逆变器模型分析2.1概述……….………………………..……………………………..…（10）2.2三相逆变器主电路模型…………………………………………….（10）2.3基于三相静止abc坐标系模型……..………………………………（11）2.4基于同步旋转dq0坐标系模型…..…………………………………（16）2.5基于0坐标系模型………………………………………….…….（19）2.6逆变器模型参数的确立………………………………………..…....（21）2.7本章小结………………….……………………….………….……...（22）3三相逆变器增广状态反馈控制技术研究3.1单相逆变器增广状态反馈控制..…….……………………….……..（24）3.2dq0坐标系下三相逆变器增广状态反馈控制…………………..….（30）3.3本章小结…………………….……………………………………….（36）4三相逆变电源增广控制系统仿真分析4.1概述…………………………………………….…………………….（38）4.2仿真模型的建立…………………………….…….……….……..….（39）4.3仿真结果分析……………………………….…….……….….……..（42）4.4本章小结…………………………….…….……………….….……..（52）5实验结果分析5.1实验台架结构与参数…………….………….……….……….……..（53）5.2实验结果及分析…………….……….……….……………..…….…（54）5.3本章小结…………….……….……….…………………………..….（56）6全文总结6.1本文研究内容………………….….……….……….………….….…（57）6.2今后工作的展望………………….……….……..…………….….…（58）致谢………………..……………………….……………………………...（59）参考文献………………………….………….….…………………….…..（60）附录1攻读硕士学位期间发表论文目录………..……………………….（64）附录2攻读硕士学位期间参加的主要科研项目…………….…………..（65）1绪言1.1PWM逆变器波形控制技术PWM逆变器的波形控制技术包括硬件实现和控制策略两部分。一、硬件技术[1~3]随着集成电路的发展，微处理器性能的不断提高，在中大功率场合，电力电子电路控制系统逐渐由模拟控制向模数控制或全数字控制转化。传统的逆变器采用模拟电路控制，模拟控制有许多固有的缺点：例如采用大量的分散元件和电路板，硬件成本高，系统可靠性低；由于一些人工调试器件的存在，如可调电位器，降低了生产效率，系统的一致性较差；模拟器件存在着老化和温漂现象，使逆变器的输出性能下降，甚至导致逆变器故障；监控功能有限，一般仅限于声光报警。二十世纪八十年代初，为了提高逆变器的通信及显示功能，在设计中开始采用微处理器来处理数字显示、信息存储、起停控制、给定正弦波发生以及输出范围监测等，但由于微处理器运算速度的限制，逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与。二十世纪九十年代初，在微处理器集成了PWM发生器后，出现了电机控制专用微处理器，如Intel公司的80C196MC。逆变器的数字化控制开始出现，运算速度的限制，一般只能对于波形质量要求不高的逆变器采用输出电压有效值