電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)的仿真

1、目 錄摘要1關(guān)鍵詞11、 電流滯環(huán)跟蹤控制原理22、 三相電流滯環(huán)跟蹤控制系統(tǒng)的仿真5 1、建立系統(tǒng)仿真模型52、模塊參數(shù)設(shè)置63、電路封裝84、作圖程序設(shè)計(jì)10三、仿真波形及頻譜分析12四、仿真結(jié)果分析與總結(jié)181、仿真波形比較182、電流頻譜分析比較193、相電壓、線電壓頻譜分析比較194、總結(jié)19五、課設(shè)心得體會(huì)20六、參考文獻(xiàn)21摘要：滯環(huán)控制是一種應(yīng)用很廣的閉環(huán)電流跟蹤控制方法，通常以響應(yīng)速度快和結(jié)構(gòu)簡單而著稱。在各種變流器控制系統(tǒng)中，滯環(huán)控制單元一般同時(shí)兼有兩種職能，一則作為閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器，二則起著PWM調(diào)制器的作用，將電流參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的開關(guān)指令信號(hào)。然而，滯環(huán)控制的開關(guān)頻率

2、一般具有很大的不定性，高低頻率懸殊，其開關(guān)頻率范圍往往是人們?cè)谶M(jìn)行滯環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師比較關(guān)心的重要方面，只有明確開關(guān)頻率的計(jì)算方法，才便于進(jìn)行開關(guān)器件、濾波參數(shù)及滯環(huán)控制參數(shù)的選擇。電流跟蹤型逆變器輸出電流跟隨給定的電流波形變化，這也是一種PWM控制方式。電流跟蹤一般都采用滯環(huán)控制，即當(dāng)逆變器輸出電流與給定電流的偏差超過一定值時(shí)，改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使逆變器輸出電流增加或減小，將輸出電流與給定電流的偏差控制在一定范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：電流滯環(huán)跟蹤PWM、閉環(huán)控制、滯環(huán)控制器HBC、環(huán)寬、電流偏差、開關(guān)頻率、響應(yīng)波形、頻譜圖1、 電流滯環(huán)跟蹤控制原理常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤 PWM（

3、Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制的 PWM 變壓變頻器的A相控制原理如1圖所示。圖1 電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。將給定電流 i*a 與輸出電流 ia 進(jìn)行比較，電流偏差 Dia 超過時(shí) ±h，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器 A相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。B、C 二相的原理圖均與此相同。采用電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)，變壓變頻器的電流波形與PWM電壓波形示于圖4。n 如果， ia < i*a ， 且i*a - ia h，滯環(huán)控制器 HBC輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂功率開

4、關(guān)器件V1導(dǎo)通，變壓變頻器輸出正電壓，使增大。當(dāng)增長到與相等時(shí)，雖然，但HBC仍保持正電平輸出，保持導(dǎo)通，使繼續(xù)增大n 直到達(dá)到ia = i*a + h ， Dia = h ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷V1 ，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng)V4但此時(shí)未必能夠?qū)?，由於電機(jī)繞組的電感作用，電流不會(huì)反向，而是通過二極管續(xù)流，使受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。此后，逐漸減小，直到時(shí)，到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，使 HBC 再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使導(dǎo)通。這樣，與交替工作，使輸出電流給定值之間的偏差保持在范圍內(nèi)，在正弦波上下作鋸齒狀變化。從圖 2 中可以看到，輸出電流是十分接近正弦波的。圖2 電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形圖2給出了在

5、給定正弦波電流半個(gè)周期內(nèi)的輸出電流波形和相應(yīng)的相電壓波形?？梢钥闯觯诎雮€(gè)周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動(dòng)變化，不論在的上升段還是下降段，它都是指數(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。圖3 三相電流跟蹤型PWM逆變電路圖4 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形 因此，輸出相電壓波形呈PWM狀，但與兩側(cè)窄中間寬的SPWM波相反，兩側(cè)增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應(yīng)該調(diào)整一下電壓波形。電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻

6、率增大了。這是一對(duì)矛盾的因素，實(shí)用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但受功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的限制，僅在電機(jī)堵轉(zhuǎn)且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開關(guān)頻率都未得到充分利用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用具有恒定開關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對(duì)電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。二、三相電流跟蹤滯環(huán)控制系統(tǒng)的仿真使用MATLAB軟件中的Simulink和SimpowerSystems工具箱構(gòu)建三相電流跟蹤滯環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型。1、建立系統(tǒng)仿真模型仿真參數(shù)為：E=100-3

7、00V; f=50Hz;帶寬2h=5-30; 步長h=0.0001s，其他參數(shù)自定。選用的模塊主要有：Mux 、 Sum 、 Relay、Scope 、Sine Wave 、DC Voltage Source 、 Ground 、Series RLC Branch 、Multimeter 、IGBT/Diode 、Logical Operator、Terminator、Voltage Measurement 、Powergui。2、 模塊參數(shù)設(shè)置Sine WaveAmplitude: 20 ; Bias: 0;Frequency(rad/sec): 100*pi ; Phase (rad):0

8、;Sample Time:0Sine Wave1Amplitude: 20 ; Bias: 0;Frequency(rad/sec): 100*pi ; Phase(rad) :-4*pi/3;Sample Time:0Sine Wave2Amplitude: 20 ; Bias: 0;Frequency(rad/sec): 100*pi ; Phase(rad) :-2*pi/3;Sample Time:0SumIcon shape:round;List of signs:|+-;Sample time:-1Multimeter2Ib:Series RLC BranchMultimeter4

9、Ib:Series RLC Branch2Multimeter5Ib:Series RLC Branch1Relay、Relay2、Relay4Switch on point:2.5;Switch off point:-2.5;Output when on:1;Output when off:0ScopeNumber of axes:3;Variable name:bScope1Number of axes:4;Variable name:cScope2Number of axes:6;Variable name:aLogical OperatorLogical Operator1Logica

10、l Operator2Operator:NOT;Number of input ports:1DC Voltage SourceDC Voltage Source1Amplitude(V):100;Measurements:voltageSeries RLC BranchSeries RLC Branch1Series RLC Branch2Resistance(Ohms): 5 ;Inductance(H): 0.005 ;Capacitance(F): inf;Measurements:Branch vo;tage and current注：表格中未注明的參數(shù)為默認(rèn)值；Relay、Rela

11、y2、Relay4中的“Switch on point”與“Switch off point”的值的絕對(duì)值就是h，2h就是環(huán)寬。 此表格所設(shè)置的參數(shù)為E=200V，f=50HZ,帶寬2h=5。 在菜單欄中選中"Simulation","Configuration Parameters、"將Stop time改為0.04，將Max step size改為1e-4，將Solver改為ode23tb(stiff/TR-BDF2),此時(shí)步長h=0.0001s.3、 電路封裝 封裝后的電路圖如下所示：其中子系統(tǒng)Subsystem和Subsystem1的內(nèi)部圖如下：

12、 Subsystem內(nèi)部圖（脈沖電路圖） Subsystem1內(nèi)部圖（主電路圖）4、作圖程序設(shè)計(jì) 在上述電路建立完成后，執(zhí)行后雙擊各示波器可觀察觸發(fā)脈沖波形、相電壓和線電壓波形及電流波形，使用Powergui中的FFT Analysis可觀察相電壓和線電壓的頻譜圖。建立3個(gè)M文件分別用來編寫觸發(fā)脈沖波形、電流波形、電壓波形的作圖程序，其程序設(shè)計(jì)分別如下：觸發(fā)脈沖波形作圖程序 電流波形作圖程序相電壓及線電壓波形作圖程序三、仿真波形及頻譜分析（一）、環(huán)寬2h=5時(shí)的仿真波形及頻譜分析1、 仿真波形觸發(fā)脈沖波形電流波形電壓波形2、頻譜分析（先用powergui將信離散化，號(hào)取采樣時(shí)間為1e-6s）相

13、電壓頻譜圖當(dāng)環(huán)寬2h=5時(shí)，輸出相電壓的基波（50HZ）峰值為105.6，總諧波失真（THD）為174.25%。線電壓頻譜圖當(dāng)環(huán)寬2h=5時(shí)，輸出線電壓的基波（50HZ）峰值為183.5，總諧波失真（THD）為142.12%。輸出相電流頻譜圖由頻譜圖可知，2h=5時(shí)，輸出電流的基波（50HZ）峰值為20.14，總諧波失真（THD）為10.25%。（2） 、環(huán)寬2h=20時(shí)的仿真波形及頻譜分析 1、仿真波形觸發(fā)脈沖波形電流波形電壓波形2、頻譜分析（先用powergui將信離散化，號(hào)取采樣時(shí)間為1e-6s）相電壓頻譜圖當(dāng)環(huán)寬2h=20時(shí)，輸出相電壓的基波（50HZ）的峰值為126.3，總諧波失真（

14、THD）為134.96%，f=0時(shí)的直流分量為1.56%，諧波分量較大的有f=650HZ時(shí)的78.15%，f=550HZ時(shí)的54.16%，f=950HZ時(shí)的32.75%。線電壓頻譜圖當(dāng)環(huán)寬2h=20時(shí)，輸出線電壓的基波（50HZ）的峰值為218.6，總諧波失真（THD）為116.25%，f=0時(shí)的直流分量為2.53%，諧波分量較大的有f=550HZ時(shí)的59.73%，f=650HZ時(shí)的44.35%，f=500HZ時(shí)的21.91%。輸出相電流頻譜 由頻譜圖可知，2h=20時(shí)，輸出電流的基波（50HZ）峰值為24.26，總諧波失真（THD）為32.58%。四、仿真結(jié)果分析與總結(jié)1、仿真波形比較由上述

15、兩組波形比較可知，當(dāng)環(huán)寬2h=5時(shí)，其觸發(fā)脈沖波形比2h=20時(shí)要更密集，即觸發(fā)頻率快，對(duì)IGBT的開關(guān)頻率高；電流跟蹤效果明顯比2h=20時(shí)的要好，其總諧波失真也要比2h=20時(shí)小，但是可以看出在一個(gè)周期內(nèi)，其電流在環(huán)寬內(nèi)變化的次數(shù)也明顯比2h=20時(shí)多，這與上面觸發(fā)頻率快相一致；其輸出相電壓與線電壓的波形同樣體現(xiàn)出2h=5時(shí)的開關(guān)頻率比2h=20時(shí)的快，由波形的疏密容易看出。2、 電流頻譜分析比較 由仿真出的電流波形的頻譜圖對(duì)比可知，當(dāng)環(huán)寬較?。?h=5）時(shí)，電流的基波分量的峰值接近于給定電流峰值（20），且總諧波失真（THD）較小為10.25%；而當(dāng)環(huán)寬較大（2h=20）時(shí)，電流的基波分

16、量的峰值較大，明顯大于給定電流的峰值，且總諧波失真（THD）較大為32.58%.3、 相電壓、線電壓頻譜分析比較由仿真出的相電壓與線電壓的波形已經(jīng)容易比較出當(dāng)環(huán)寬2h=5時(shí)，其波形較密，因其為PWM波形，所以由FFT Analysis分析出來的諧波失真應(yīng)該比環(huán)寬2h=20時(shí)的要大，而頻譜分析結(jié)果恰好符合上述分析，2h=5時(shí)相電壓總諧波失真（THD）為174.25%，而2h=20時(shí)相電壓總諧波失真（THD）為134.96%，2h=5時(shí)線電壓總諧波失真（THD）為142.12%，而2h=20時(shí)線電壓總諧波失真（THD）為116.25%.4、 總結(jié)由上述分析可知，當(dāng)所給環(huán)寬小時(shí)，電流跟蹤控制的精度高

17、，電流跟蹤效果好，同時(shí)電流的諧波分量也少，但是對(duì)IGBT的開關(guān)頻率要求高；二當(dāng)所給環(huán)寬大時(shí)，電流跟蹤控制的精度就減小了，電流跟蹤的效果也變差，電流的諧波分量也高，不過降低了對(duì)IGBT的開關(guān)頻率要求。所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)所給開關(guān)器件如IGBT的開關(guān)頻率范圍來選擇環(huán)寬的大小，一般在開關(guān)頻率允許的條件下，盡可能地選擇小的環(huán)寬，這樣輸出的電流波形質(zhì)量越高。五、課設(shè)心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)選擇的題目是電流滯環(huán)跟蹤PWM（CHBPWM）控制技術(shù)的仿真，也是一種PWM控制技術(shù)，由于平時(shí)上課做實(shí)驗(yàn)時(shí)就已經(jīng)做過三相橋式SPWM逆變電路的仿真，所以這次做課設(shè)有一定的基礎(chǔ)，遇到的問題不是太大，通過查閱資料和與同學(xué)

18、交流學(xué)習(xí)到了許多新的知識(shí)，解決了不少問題。首先這次課設(shè)學(xué)習(xí)了電流滯環(huán)跟蹤控制的基本原理，由給定電流與反饋電流進(jìn)行比較，得到偏差電流，經(jīng)過滯環(huán)控制器HBC來控制逆變器上下橋臂的開關(guān)動(dòng)作。其中環(huán)寬時(shí)一個(gè)很重要的量，由它決定著開關(guān)器件的開關(guān)頻率，同時(shí)也決定著輸出電流的質(zhì)量好壞。在用Simulink構(gòu)建仿真模型時(shí)復(fù)習(xí)了之前學(xué)習(xí)過一些知識(shí)，還新學(xué)習(xí)了一些平時(shí)上課沒有使用過的模塊，如使用了總線Demux，使用了多路測(cè)量儀Multimeter，并且學(xué)會(huì)了使用Powergui中的FFT Analysis來分析信號(hào)的諧波。最終通過不斷地調(diào)試，得到了仿真波形，并通過比較分析得出了結(jié)論：環(huán)寬越小，得到的電流質(zhì)量越高，諧波分量越小，電流跟蹤控制進(jìn)度越高，但是對(duì)開關(guān)器件的開關(guān)頻率要求高，所