1、运动控制系统课程设计课题：三相桥式 PWM 逆变器仿真研究系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 1成 绩：河南城建学院目录一、设计目的 2二、设计任务及要求 2三、方案设计 21、三相桥式 PWM 逆变电路的工作原理 .22、状态空间模型 .33、系统的可控性和可观测性 .63.1 可控性判断 63.2 可观测性判断 64、整体方案设计 .725、仿真建模 .75.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真建模 .95.3 三相逆变电源总体电路仿真建模 116、仿真结果 116.1 直流升压斩波电路仿真结果 116.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真实现结果 126.3 闭环反馈电路仿真实现结果 1
2、36.4 三相逆变电源总体仿真实现结果 13四、心得体会 .15五、参考文献 .163一、设计目的随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM 技术得到了迅速发展，PWM 正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。PWM 技术成为目前应用最为广泛的逆变用 PWM 技术。因此，研究 PWM 逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大。二、设计任务及要求自拟负载，可选用电机或阻感负载等，画出系统
3、主电路和控制电路的结构图，并进行仿真或实验验证系统的合理性。三、方案设计1、三相桥式 PWM 逆变电路的工作原理V 1V 2V 4V 3V 6V 5V D 1V D 3 V D 5V D 4V D 6V D 2UVWN调制电路2du2durVWUcu图 1 三相桥式 PWM 型逆变电路4图 1 是三相桥式逆变电路，这种电路采用双极性控制方式。U、V 和 W 三相的 PWM 控制通常公用一个三角波载波 ，三相的调制信号 、 和 依次curUurVr相差 120。U、V 和 W 各相功率开关器件的控制规律相同，现以 U 为例来说明。当 时，上桥臂 V1 导通，下桥臂 V4 关断，则 U 相相对于直
4、流电源假想中cru点 的输出电压 。当 时，V4 导通，V1 关断，则N2/NdUcru。 V1 和 V4 的驱动信号始终是互补的。当给 V1(V4)加导通信号2/dU时，可能是 V1(V4)导通，也可能是二极管 VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。 、 和 的 PWM 波形都只有 两种电平。 UNuVWNu2/dU2、状态空间模型图2显示了L-C输出滤波器得到的电流和电压方程。R l o a dL fL fL fC fC fC fL l o a dL l o a dL l o a dR l o a dR l o a di i Ai i Bi i Ci i Ai L B
5、i L CV L A B V L B C V L C A V i A B V i B Cbaci a bi b ci c a图2 L-C 输出滤波器得到的电流和电压方程根据基尔霍夫定律，节点 a、b、c 可列出下列电流方程方程节点 a：（1-1）0 dtVCtdiii LABfLAfLALABCLA5节点 b： （1-2）0 dtVCtdiii LBfLABfLBLBCALB节点 c： （1-3） 0 dtVCtdiii LAfLBfLCLCABLC其中， ， ，dtViLABfLAB tiLBCfCtiLCAfA（1-4）0LCABLAV由以上四式计算可得：（1-5） )(31)(31 )(
6、31)(31LCAfLACACfLCA BfBBfB LAfLAAfLA iiidtViiit iiidt根据基尔霍夫定律，可列出逆变电路输出部分的电压方程：（1-6） LCAfLfALCfiCA BffBfiB LAfLfLAfiA VdtiVVdti由（1-6）式可转化为：6(1-7)iCAfLAfCAiBfBfBiAfLAfAVdtitidti11根据基尔霍夫定律，可以列出负载回路的电压方程：（1-8） LCAoadLCAoadLACLoadALoadCLoadCA BBBCBB LAoadLAoadLALoadBLoadALoadA iRtiiRtitiV itiititi )()(由
7、（1-8）可以转化成(1-9)LCAODLCAODLCABBLBLAODAODLAViRdtiitiidti 11由此可将（1-5） 、 （1-7） 、 （1-9）写成矩阵的形式：（1-10）LOADLOADLiff LfifL IRVdtIt ICIdtV131其中， ， ，TLBL TACBATCBAi iiiI 7， LTiABiiV TALCBLATLCBAL iiiiiI 根据（1-10）我们可以建立此模型的状态空间模型：状态方程： UtX)(输出方程： DCY其中，状态向量 ，输入向量 ，19LIVXTiCABiV输出向量 13LCABiiY系统矩阵 ，193333330 1 0
8、1 ILRIICIAOADLOADf ff输入矩阵 ，193130ILBf输出矩阵 ，直接传递矩阵 D=03IC3、系统的可控性和可观测性3.1 可控性判断 用可控性的秩判据来判断系统能控性，系统状态完全能控的充分必要条件8是能控性矩阵 满秩，即 。),.(1BATn nBArankTA),.(1MATLAB 中的 ctrb 指令求出可控性矩阵 ， =9，由于可控性矩阵满秩，所以此系统可控。调用格式为：=ctrb（A,B）TA TA= ctrb (A,B); rank(TA)ans =93.2 可观测性判断用系统可观测性的秩判据来判断系统能观性，系统状态完全能观的充要条件是可观测性矩阵 满秩T
9、nCAT),.(1。MATLAB 中的 obsv 指令可以求得可观测性ACrankrTTn),.(1矩阵 ， =9，由于可观测性矩阵满秩，所以此系统可观。调用格式为：00=obsv（A,C）T TC= obsv (A,C); rank(TC)ans =94、整体方案设计整体方案设计为直流斩波电路采用 PWM 斩波控制的升压斩波电路，输出的9直流电送往逆变电路。逆变采用三相桥式 PWM 逆变电路，采用 SPWM 作为调制信号，输出 PWM 波形，再经过滤波电路得到 380V、50Hz 三相交流电，在电压输出侧进行电压采样进而与理想输出值比较转换之后产生所需要的 PWM 波，控制输出的稳定和准确。
10、系统总体框图如图 2-1 所示。图3 系统总体框图5、仿真建模根据系统总体框图，可将其分为升压斩波电路，三相逆变电路（含滤波电路）和闭环反馈电路，下面分别对其进行仿真建模，然后再进行总体电路的仿真建模。5.1 升压斩波电路仿真建模升压斩波电路可以选用基本的升压斩波电路，升压斩波电路原理图如图 3-1所示。该电路的基本工作原理是：假设 L 和 C 值很大，当 V 处于通态时，电源E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 I1，同时电容 C 上的电压向负载 R 供电，因为 C 值很大，基本保持输出电压 Uo 恒定。当 V 处于断态时，电源 E 和电感 L10同时向电容 C 充电，并向负载提供能量。
11、输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是 L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 可将输出电压保持住。电路输出的电压还要经逆变后滤波，故对波形的要求不是很高，与负载并联的电容 C 取很大，就可以达到滤波的目的，因此不需另外添加滤波电路。图 4 直流升压斩波电路由于本次设计着重于在 Matlab 中进行仿真建模，所以对于各种元器件的查找和仿真使用就显得尤为重要。可以先打开 SimulinkLibraryBrowser，在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，双击查找。在最开始的时候没有找到电阻、电容和电感，后来经过多方努力终于知道了方法，选择 SimPowerSys
12、tems 下拉菜单 Elements 类别中的 SeriesRLCBranch，放入窗口后，双击该图标，在 BranchType 中选择相应类型，如果是电阻就选择 R，如果是电感就选择 L，选择完毕后单击 OK 按钮。在仿真中控制 IGBT 的波形由 PWM脉冲生成器 PulseGenerator 产生，可以双击 PulseGenerator 对占空比进行修改，这是一种很简单的方法来控制输出电压的值。当把元件找齐之后，按照升压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置 VoltageMeasurement，并通过示波器 Scope 来观测输出电压的波形。所构成的直流升
13、压斩波电路仿真模型，如图 5 所示11图 5 升压斩波电路仿真图5.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真建模逆变电路可参考三相桥式 PWM 型逆变电路，其电路图如图 1 所示。该电路采用双极性控制方式。U、V 和 W 三相的 PWM 控制通常公用一个三角载波 cu，三相的调制信号 rUu、rVu 和 rWu 依次相差 120。U、V 和 W 各相功率开关器件的控制规律相同，现以 U 相为例来说明。当 rUucu 时，给上桥臂 1V 以导通信号，给下桥臂 4V 以关断信号，则 U 相相对于直流电源假想中点N 的输出电压/2UNduU=。当 rUucu 时，给 4V 以导通信号，给 1V 以关断信号
14、，则/2UNduU=。 1V 和 4V 的驱动信号始终是互补的。当给 1V（4V）加导通信号时，可能是 1V（4V）导通，也可能是二极管 1DV（4DV）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V 相和 W 相的控制方式都和 U 相相同。电路的波形如图6 所示。12图 6 三相桥式 PWM 逆变电路波形采用双极性方式时，在 ur 的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的 PWM 形也是有正有负。在 ur 的一个周期内，输出的 PWM 波只有Ud 两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号 ur 和载波信号 uc 的交点时刻控制各开关的通断。在 ur 的正负半
15、周，对各开关器件的控制规律相同，如下图 7 所示13图 7 双极性 PWM 控制方式波形5.3 三相逆变电源总体电路仿真建模本次设计的三相逆变电源总体电路包括直流升压斩波电路，三相桥式 PWM逆变电路和闭环反馈电路，将升压斩波电路的输出接到逆变电路的输入，接着在逆变电路输出端接上反馈电路，经过处理后产生的 PWM 波连接到直流升压斩波电路的开关器件 IGBT 的控制端，这样就得到本次设计的逆变电源的总体仿真模型，如图 8 所示14图 11 逆变电源总体电路仿真模型6、仿真结果6.1 直流升压斩波电路仿真结果分析直流升压斩波电路的原理，并根据参考资料设置各项初始参数，输入直流电设置为 200V，
16、开关器件 IGBT 和二极管 Diode 使用默认参数，其他器件的参数可以通过调试和参考资料进行设置。如果改变开关器件 IGBT 的占空比的值，可以改变其输出电压值，在仿真过程中能够得到很好的体现，符合直流升压斩波电路的原理。经过多次调节各元件参数发现，增大 PWM 波形的占空比或增大电感值，输出电压稳定值增大。电容的作用主要是使输出电压保持住，电15容值过小输出波形会持续震荡，应取较大，但过大的电容值会使输出电压稳定的时间太长。根据以上规律反复改变各元件参数，直到得到满意的结果。如下图 12 即为当占空比为 50%的时候，仿真建模得到的输出波形，该波形是在Scope 中观察到的图 12 直流
17、斩波电路仿真波形很显然，当占空比为 50%时输出电压应该为 200V 的两倍，即为 400V，在仿真得到的波形中可以看到在 0.038s 后输出稳定的直流电压 400V，效果比较好，满足要求。6.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真实现结果这里说的三相桥式 PWM 逆变电路包括了滤波电路在进行逆变电路的仿真中，交流电的输出波形很容易受到一些参数的影响。在设计中要求输出交流电为380V，此值为线电压，则每相电压有效值为 220V，每相输出的正弦波幅值为2202V，约为 311V。根据此要求反复调节各元件参数，发现当输入直流电压为689.85V，离散 PWM 生成器的调制参数 m=0.98 时输出电
18、压满足要求。16此时逆变电路的输出波形如图 13 三相桥式 PWM 逆变电路仿真波形所示图 13 三相桥式 PWM 逆变电路仿真波形6.3 闭环反馈电路仿真实现结果经过闭环反馈电路得到的输出 PWM 波形（占空比为 71.1%）如图 14 所示图 14 闭环反馈电路图176.4 三相逆变电源总体仿真实现结果首先应该将升压斩波电路的输出电压调到 689.85V 左右，再对逆变电源进行仿真。反复调节参数知当直流升压斩波电路中 PWM 脉冲生成器的占空比达到71.1%时，输出的直流电压约为 690V，此时的波形如图 15 三相逆变电源升压斩波电路输出波形所示，输出电压先大幅震荡，大约 0.038s 后，稳定在 690V 左右。三相逆变电源的最终输出电压波形如下图 16 所示，由图中可以清楚地看出三相电压的最大值均为 311V，满足输出线电压为 380V 的要求，周期都是0.02s，符合输出交流电为 50Hz 的要求，同时三相电压依次相差 120，输出的波形比较好。由于反馈电路的存在，使其抗干扰能力也大为提高，受负载的影响也较小。图 15 三相逆变电源升压斩波电路输出波形18图 16 三相逆变电源仿真结果图19四、心得体会20五、参考文献
