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1、第0章 引言本文提出了一种将重复控制与引入积分控制的极点配置相结合的混合型控制方案。其中重复控制改善系统的稳态性能，极点配置改善系统的动态特性。两种控制方式互为补充，可以同时实现高品质的动态响应和高质量的输出电压波形在电力电子装置中，以CVCF逆变器为核心的UPS得到了广泛的应用，对其输出波形主要的技术要求包括低的稳态总谐波畸变率（THD）和快速的动态响应，由于非线性负载、PWM调制过程中的死区和逆变器系统本身的弱阻尼性等因素的影响，采用一般的闭环PWM控制效果不理想。本文以PID控制模块、RSM模块,采用重复控制反馈改善系统的稳态性能，采用引入积分控制的极点配置改善系统的动态特性，实验结果表
2、明，本方案可以同时实现高品质的稳态和动态特性。第1章 单相逆变器的概论1.1单项逆变器的基本原理逆变器通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成单相恒压恒频率正弦波逆变器电源一般用在对电源质量要求很高的场合。总的原理是直流经振荡电路产生脉动直流（开关管间断导通关闭）或交流电再通过变压器在次极感应出所需电压的交流电。逆变器的工作原理：1.直流电可以通过震荡电路变为交流电 2.得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电）3.对得到的交流电进行整流得到正弦波逆变分有源逆变和无源逆变，本设计中为有源逆变。1.2 单相逆变器主电路拓扑
3、结构单相逆变器主电路主要有半桥式、全桥式、推挽式3种，拓扑结构如图11所示。 （1）半桥电路输出端的输出的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，因此，电压利用率低；但在半桥电路中，可以利用两个大电容C1、C2会补偿不对称的波形，这是半桥电路的优点所在。（2）全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路的利用率大1倍。但全桥、推挽式电路都存在变压器直流不平衡的问题，需要采取措施解决。（3）推挽电路主要优点是电压损失小，直流母线电压只有一个开关管的管压降损失；此外，两个开关管的驱动电路电源可以共用，驱动电路简单。推挽式比较适合低压输入的场合。低压输入的推挽式变压器原边绕组砸数较少，一般采用
4、并绕方式，以增加两绕组的对称性，工艺上难度较大。它的优点是：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。缺点是：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流的纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。中、大容量逆变器多采用全桥结构，它的控制方法比较灵活，主要有双极性和单极倍频两种。对于开关器件的选择，小容量逆变器多用MOSFET，大容量正弦波输出地逆变器多用IGBT，特大容量逆变器选择GTO。本设计中仿真电路是用的单相全桥电路逆变。1.3 驱动电路驱动
5、电路是主电路与控制电路之间的接口电路。合理的驱动电路可以使开关管工作在较理想的状态下，缩短开关时间，减小开关损耗，提高系统的运行效率。另外，有些保护措施往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本作用是：将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的电压或者电流，应该具有一定的功率，使器件能够可靠地开通或关断。驱动电路往往还需要提供电气隔离环节。目前，在常用的驱动电路中，广泛使用的电力电子器件是MOSFET和IGBT，变压器隔离驱动的驱动脉冲的占空比必须小于50%，否则变压器的磁通不能复位。而采用SPWM调制方式时，开关管的驱动脉冲不可避免的有超过50%的情况，因此，小容量逆变器
6、中，电力MOSFET多采用高压隔离驱动的集成芯片，而在中大容量逆变器中，IGBT则采用厚膜集成驱动电路模块。1.4 正弦波脉宽调制（SPWM技术）正弦波脉宽调制技术即SPWM技术，它利用面积冲量等效原理获得谐波含量很小的正弦电压输出。正弦脉宽调制波中谐波分量主要分布在载波频率以及载波频率整数倍附近。在目前使用的中小容量逆变器中，三角波的工作频率在8kHz-40 kHz之间。因此，采用SPWM的逆变器输出电压波形中，基本不包含低次谐波，几乎所有谐波的频率都在几千赫兹以上。这样，逆变器所需的滤波器尺寸可以大大减小。对于单相全桥逆变电路，目前装置中常采用SPWM硬开关，SPWM控制策略有双极性SPW
7、M和单极性SPWM两种。无论是双极性SPWM还是单极性SPWM，都可以采用正弦调制波Usin和三角载波Utri比较进行调制，且逆变桥中同一桥臂的上下两个开关管（即T1和T2，T3和T4）的驱动信号总是互补的（忽略死区）。其区别在于两个桥臂调制规律之间的关系不同。此次设计采用的就是单极性的SPWM控制。单向全桥逆变电路单极性的SPWM控制规律，如图1.2所示。1.5 输出电压波形控制随着逆变器的广泛应用人们对输出电压的质量要求也越来越高。不仅要求逆变器的输出电压稳定、而且要求输出电压正弦度好，动态响应快。与此相适应，逆变器的波形控制技术从开环控制发展到输出电压瞬时反馈的闭环控制。1.5.1输出电
8、压开环控制 以往的逆变器对波形采用开环控制，它只有电压平均值的反馈闭环控制，没有波形瞬时值的闭环控制。逆变器直接用希望的正弦信号波和三角载波进行比较获得SPWM波。随着单片机等数字器件的发展，波形的开环控制逐渐采用了数字方法，从而出现了几种新型的SPWM技术，如载波调制SPWM、载波注入PWM以及最优PWM等。新型的PWM方法虽然可以在一定程度上改变逆变器的输出电压质量，减少波形畸变，但开环控制仍不可避免地具有以下局限性。 （1）输出波形质量差，总谐波畸变率高。虽然在理想情况下，开环控制可以得到正弦度很好的输出电压，但它对各种非理想因素引起的输出电压畸变却无能为力，包括开关死区对输出电压的影响
9、以及非线性整流负载引起的输出电压波形畸变。 （2）系统动态响应速度慢。当负载突变时，输出电压会出现很大的波动，并且需要很长的时间才能恢复稳定。1.5.2输出电压闭环控制： 为了克服以上缺点，将波形闭环反馈控制策略引入到逆变器的控制中，产生了各种瞬时值反馈控制策略。从而保证了输出电压波形的正限度，消除了各种非线性因素对输出电压的影响。当然与开环控制相比，闭环控制也有不足之处。首先，由于引入了输出量反馈，必须相应地使用各种检测元件，系统成本的增加；其次如果控制系统设计不好，运行过程中由于各种因素影响，有可能造成逆变器输出电压振荡不稳定，使得系统的可靠性降低。目前，各种小型逆变器的波形控制既有采用开
10、环，也有采用闭环。对电能质量要求不太高的小容量逆变器多采用开环；中大容量逆变器的用户一般对输出电能的质量要求较高，而检测和控制电路的成本在整个系统中所占比重又非常小，因此，中大容量逆变器多采用波形闭环控制。综合考虑，在此次设计采用的就是闭环控制比较合适。 第2章 用MATLB搭建的仿真电路模型 本章主要讲述应用MATLAB仿真软件搭建单相CVCF正弦波逆变器的电路模型，分析各模块的具体功能。2.1 MATLAB软件简介 在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、F
11、ortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。
12、在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言-如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。 Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图
13、形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世界。 2.2 单相CVCF正弦波逆变器的电路模型根据课程设计任务要求和技术要求，及本课程设计单相CVCF正弦波逆变器的具体电路模型，如图2.1所示。 图2.1 CVCF正弦波逆变器电路图 单相CVCF正弦波逆变器的电路模型主要有PID控制模块、RSM模块、SPWM等等模块格成。2.3 PID模块控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象
14、的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制的基本模型，如图2.2所示。 图2.2 PID控制的基本模型1.比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Stead
15、y-state error）。 2.积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 3.微分（D）控制 在微分控制中，控制器
16、的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象
17、，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。2.4 RMS模块的功能 RMS模块的功能是将交流电压有效值测定出来，然后反馈到前面的PID模块中，输入的值和给定共同作用与PID模块。其值为就是一组统计数据的平方的平均值的平方根。 在直流（DC）电路中，电压或电流的定义很简单，但在交流（AC）电路中，其定义就较为复杂，有多种定义方式。均方根（RMS）指的是定义AC波的有效电压或电流的一种最普遍的数学方法。要得出rms值需要对表示AC波形的函数执行三个数学操作：（1）计算波形函数（一般是正弦波）的平方值。（2）对第一步得到的函数求时间平均值。（3）求第二步得到的函数的平方根。在一个
18、阻抗由纯电阻组成的电路中，AC波的RMS值通常称作有效值或DC等价值。比如，一个100V RMS的AC源连接着一个电阻器，并且其电流产生50W热量，那么对于100V连接着这个电阻器的电源来说也将产生50W的热量。对正弦波来说，RMS值是峰值的0.707倍，或者是峰-峰值的0.354倍。家用电压是以RMS来表示的。所谓的“117V”的交流电，其峰值（pk）约为165V，峰-峰值（pk-pk）约为330V。RMS模块对信号处理过程，如图2.3所示。 图2.3 RMS模块的处理过程2.5 SPWM模块工作原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基
19、本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅式变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如图2.4 a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，图2.4a 为矩形脉冲，图2.4b 为三角形脉冲，图2.4C 为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1 ，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2.4d的单位脉冲函数5(t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图2.4 形状不同而冲量相同的各种脉冲上述结论是PWM 控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列
20、等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波，把图2.5a 所示的正弦半波波形分成N 等份，就可把正弦半波看成由N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于二N ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图2.5b 所示的脉冲序列。这就是PWM 波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的图2.5 PWM 控制的基本原理示意图原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半
21、周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM ( Sinusoidal PWM ）波形。在PWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。以上介绍的是PwM 控制的基本原理，按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM 波形。 但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波
22、形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM 波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合P 枷控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM 波形。一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的PWM 波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式，如图2.6所示。图2.6单极性PWM 控制方式原理本课程
23、设计的SPWM模块的具体电路模型，如图2.7所示。 图2.7 SPWM模块的具体电路模型第3章 主要模块的参数设置 本章主要讲述了通过对仿真电路中各模块的具体参数的设置，在符合课程设计要求的前提下，通过比较，确定了系统的最优化模块的仿真参数。 经过屡次的仿真校验可以得出原理图中的一些重要的参数如下；3.1 PID模块参数的设置PID模块的参数设置，如图3.1所示。 图3.1 PID模块的参数3.2 SPWM模块参数的设置SPWM模块的参数设置，如图3.2所示。图3.2 SPWM模块的参数3.3 仿真电路中其他元件参数的设置1.电感（L）和电容（C）的参数设置，如图3.3所示。图3.3 电容（C
24、） 电感（L）的参数 2.取样电阻（R1、R2）的参数设置，如图3.4所示。图3.4 取样电阻（R1、R2）的参数5. 给定和反馈环节的放大系数的参数设置，如图3.5所示。图3.5 给定和反馈环节参数 第4章 仿真结果及分析 本章主要讲述了本课程设计的仿真结果，通过对仿真结果的分析，得出结论。4.1 仿真结果波形1.当直流输入电压为180V时，负载端的输出电压波形，如图3.9所示。 图3.9 输入为180V时，输出波形图2.当直流输入电压为320V时，负载端的输出电压波形，如图3.10所示。 图3.10 输入为320V时，输出波形图4.2 仿真结果分析通过对以上在不同直流输入电压时，负载端的输
25、出电压波形可知：1.交流输出电压稳压精度： 当直流输入电压为180V时，负载端的输出电压为：稳压精度为： (309 - 304)V/308V * 00% = 1.6% 当直流输入电压为320V时，负载端的输出电压为：稳压精度为： (311 - 305)V/308V * 100% = 1.9%2.正弦交流输出畸变率：当直流输入电压为180V时，畸变率为：由畸变率定义可得到: 8V/220V * 100% = 3.6%当直流输入电压为320V时，畸变率为：由畸变率定义可得到： 9V/220V * 100% = 4.0%有结果可知道，交流输出电压稳压精度小于2%，正弦交流输出畸变率小于5%，频率都是
26、50HZ,因而都符合设计任务的要求。4.3 设计结论单相恒压恒频率正弦波逆变器的应用可以改善以往的普通逆变器所不能实现效果。通过SPWM技术、PID控制模块、RSM模块等特殊模块，在输入不同，误差很小的情况下，能够产生相对稳定的输出电压。有了单相恒压恒频正弦波逆变器，就可利用直流电(蓄电池。开关电源。燃料电池等)转换成比较稳定的交流电为电器提供稳定可靠得用电保障。可以利用在一些对输出要求高的电路中为电路提供电源。例如一些精密仪器、精密实验室电源等；单相恒压恒频逆变器还可与其他元器件配套使用，降低电路误差，能有效地节约燃料。；在风能、太阳能领域，这类逆变器更是必不可少。逆变器有着很好的发展前景。
27、结束语通过本次课程设计培养我们实际工程设计能力具有重要意义，它是我们毕业设计前所进行的重要的实践训练环节。通过课程设计，把以前学习中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以运用，使这些知识得到巩固发展，并使理论知识在实际的设计工作中综合的结合起来。设计实践是高等工科院校相关专业的学生第一次进行的比较完整的实践训练。通过这个环节，可以初步培养我们电力电子装置设计的独立工作打下良好的工作能力，树立了正确的设计思想。 这次设计过程中还有许多不如意的地方和不完善的地方，通过这次的经验希望以后越做越好。在此感谢老师对我本次课程设计的细心指导和帮助。此课程设计由于笔者所学尚浅、设计仓促、加之水平有限，诸多地方还需斟酌。所以错误纰漏在所难免，诚望老师您批评指正。参考文献1.杨荫福主编. 电力电子装置及系统。 北京，清华大学出版社，20082.周渊深主编。 电力电子技术与MATLAB仿真。 北京，中国电力出版社，20053.李颖主编。 Simulink动态系统建模与仿真基础。西安，西安电子科技大学出版社， 20044.网络文献。 中国学术期刊 维普学术期刊
