基于滑模变结构控制的电压型PWM整流器的研究与实现

论文摘要

随着现代电力电子技术和控制技术的发展,以PWM(Pulse Width Modulation)技术为基础的功率变换装置得到了越来越广泛的应用。PWM整流器具有高功率因数、低谐波污染、能量可以双向流动、小容量储能环节、恒定直流电压控制等优点,在电力有源滤波器、潮流控制、无功补偿、太阳能发电以及高压直流输电等应用领域具有非常广阔的应用前景。PWM整流器是一个多变量、非线性、强耦合的时变参数系统,要得到高性能的PWM整流器控制系统必须应用现代控制理论和先进控制策略使系统具有强鲁棒性,以克服参数变化、负载变化及非线性因素对系统性能的影响。滑模变结构控制是一种强鲁棒性的控制方法,对系统数学模型精度要求不高,具有快速响应、对参数及外部扰动变化不敏感、无需系统在线辨识,实现简单而且很适合计算机实现等优点,因此,很适合高性能的PWM控制系统。本文以三相电压型PWM整流器为研究对象,研究了滑模变结构控制的设计目标和设计方法、滑模变结构控制系统的不变性等问题。分析了整流器的原理以及结构,分别在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系中建立了数学模型,并且推导了三种坐标系下整流器直流侧电压、交流侧电流、电压以及整流器开关模式之间的关系；设计了基于滑模变结构控制的三相PWM整流器电流内环和电压外环的双闭环控制方案。在理论研究的基础上,采用MATLAB/Simulink对设计方案进行了仿真实验,与传统的PI控制方案进行了比较及分析。根据控制算法和系统性能要求对主电路的交流侧电感、直流侧电容以及IGBT的参数进行优化；搭建了以TMS320F2812芯片为核心的包括交流信号检测转换电路、直流电压信号转换电路、驱动及保护电路的控制电路。文中说明了主控程序的模块化设计思路和工作流程。结合PWM整流器系统的设计要求和DSP芯片的性能,编辑了系统软件并进行实验研究。实验结果表明该系统能够实现快速响应并在最短的时间内达到稳定值,基本达到了预期效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 PWM整流器的的发展和研究概述
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 PWM整流器基本理论及控制策略分析
• 2.1 PWM 整理器的技术概况
• 2.1.1 电压型PWM整流器
• 2.1.2 电流型PWM整流器
• 2.2 电压型PWM整流器的工作原理
• 2.2.1 原理概述
• 2.2.2 工作模式分析
• 2.3 电压型PWM整流器的数学模型
• 2.3.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 2.3.2 两相静止坐标系下的数学模型
• 2.3.3 两相旋转坐标系下的数学模型
• 2.3.4 两相坐标系下的坐标变换
• 2.4 电压型PWM整流器双闭环控制系统的设计
• 2.4.1 电流内环控制设计
• 2.4.2 电压外环控制设计
• 2.5 电压型PWM整流器的调制方法
• 2.5.1 三相PWM整流器空间电压矢量分布
• 2.5.2 空间电压矢量的合成
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于滑模变结构的电压型PWM整流器的仿真研究
• 3.1 滑模变结构控制概论
• 3.1.1 变结构控制的基本概论
• 3.1.2 等效控制及滑动模态方程
• 3.1.3 滑模变结构控制匹配条件及不变性
• 3.1.4 滑模控制器设计基本方法
• 3.2 基于滑模变结构的PWM整流器控制系统的设计
• 3.2.1 PWM整流器滑模变结构算法设计
• 3.2.2 广义滑模条件满足及控制规律的实现
• 3.2.3 系统仿真与分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 PWM整流器系统的硬件设计
• 4.1 主电路的硬件设计
• 4.1.1 交流侧电感的设定
• 4.1.2 直流侧电容的设定
• 4.1.3 IPM智能功率模块的设定
• 4.2 控制电路的硬件设计
• 4.2.1 控制芯片的选取与设计
• 4.2.2 交流电流信号采集转换电路的设计
• 4.2.3 直流电压信号采集转换电路的设计
• 4.2.4 保护电路
• 4.3 本章小结
• 第5章 PWM整流器系统软件设计
• 5.1 控制系统软件框图
• 5.2 主程序及中断程序设计
• 5.2.1 主程序设计
• 5.2.2 中断程序设计
• 5.3 功能模块子程序设计
• 5.3.1 PI调节子程序设计
• 5.3.2 CLARKE/PARK变换子程序设计
• 5.3.3 A/D数据采集子程序设计
• 5.3.4 PWM波形产生子程序设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 实验结果及展望
• 6.1 实验结果及分析
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢