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数字化PWM逆变系统控制关键技术研究及其应用

杨金辉

  高频全控型电力电子器件和高性能DSP控制器的问世,使PWM逆变系统的数字控制成为当今电力电子技术的热门研究领域。先进控制技术的应用可以提高PWM逆变系统输出电压的稳定性和可靠性,同时改善系统的动稳态等性能,便于系统的优化升级和产品化。PWM逆变系统向着数字化、模块化、网络化、智能化的方向发展,本文针对数字化PWM逆变系统,研究和开发系统控制关键技术,为系统的设计与开发提供理论依据和实现途径。 (1)研究了数字化PWM逆变系统的应用领域与发展趋势;从数字化PWM逆变系统的波形控制、脉宽调制与系统控制的角度,深入研究了逆变控制技术的理论基础和技术基础;阐述了项目的研究背景和作者所承担的开发任务。 (2)对于数字化单相PWM逆变器,将其主电路分为逆变桥单元和输出滤波单元,分别建立二者的数学模型。逆变桥单元和PWM产生过程等效为一个增益恒定的放大器,建立了输出滤波单元的连续时间、离散时间模型,对LC滤波参数进行了分析设计。对于数字化三相PWM逆变器,分别建立了基于三相静止abc坐标系模型、基于坐标变换αβ坐标系模型和基于同步旋转dq坐标系模型,三相滤波单元可通过坐标变换解耦为两个单相滤波单元,因而单相PWM逆变器的研究方法和结论都可应用于三相PWM逆变器。为便于对逆变系统控制算法进行仿真研究,建立了单相和三相PWM逆变器的Matlab仿真电路模型。 (3)针对逆变系统负载适应性能不强、动静态性能不佳的特点,深入研究了几种实用型逆变波形复合控制策略。通过算法理论推导及分析,给出了各种复合控制策略的实现方法并做了相应的仿真研究;对各种策略的特点和特性进行分析和比较。针对逆变系统,提出了一种基于神经网络内模原理的逆变波形控制策略,建立了系统的正模型和神经网络内模控制器,有效的提高了系统的逆变波形质量和负载适应性。 (4)从载波调制和空间矢量调制的角度对单相和三相逆变系统的调制技术进行了深入研究。对于单相逆变系统,分析了采样型SPWM技术,给出了一种脉冲二重化数字SPWM技术,在相同载波频率下获得较普通SPWM低两倍谐波的波形。通过引入单相逆变系统“线电压”的概念,实现了单相SVPWM技术,研究结果证明了单相SVPWM与载波PWM的统一性。对于三相逆变系统,将单相脉冲多重化SPWM实现方法推广到三相系统实现三相数字SPWM技术;研究了三相SVPWM技术的原理及实现方法;通过对两电平以及多电平载波PWM和SVPWM两类调制技术的对比研究,证明了三相SVPWM与载波PWM的统一性。研究表明SVPWM通过在载波PWM调制中迭加适当的零序分量实现,SVPWM通过对载波调制信号注入零序信号与载波PWM相统一。 (5)针对逆变系统控制与功能实现,重点分析研究了嵌入式实时操作系统μC/OS-II平台下的软件锁相控制算法。以逆变电源为例,实现了μC/OS-II在LF2407A上的移植;对系统进行任务划分和实现调度;推导了基于同步调制和基于异步变频调制的软件锁相控制算法。利用LF2407A微处理器,分别给出了两种软件锁相控制算法的DSP实现方法,解决了旁路/逆变输出切换时对系统和负载的冲击问题和EPS在系统断电情况下快速起动、快速切换的问题。 (6)应用数字化PWM逆变系统控制关键技术,研制高性能环保节能型数字化逆变电源系列定型产品,实现数字化升级换代,提高产品的性价比。本文重点针对一款70kW数字化三相EPS新产品的研制工作,从控制关键技术算法的实现思想、核心硬件模块开发、软件系统设计等方面阐述数字化EPS系统的设计创新。数字化逆变系统控制关键技术解决了控制精度、跟踪速度和逆变输出的切换时间、转换效率等核心技术问题,整机技术性能指标到达有关标准要求和预期的设计目标,目前该机型已作为2010年新产品投入市场应用。 数字化PWM逆变系统控制关键技术,逆变波形复合控制策略提高了逆变波形质量、系统动静态特性和负载适应性;脉宽调制技术解决了逆变系统逆变控制问题,简化了逆变算法,提高了逆变效率;软件锁相控制算法解决了EPS旁路/逆变输出切换冲击问题以及快速起动/切换的问题。……   
[关键词]:逆变系统;逆变器;波形控制;脉宽调制;锁相控制;EPS
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:湖南大学2010年
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