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机车控制电源在CCM和DCM模式下控制策略的分析与仿真

2020-12-16阅读(1000)

机车控制电源在CCM和DCM模式下控制策略的分析与仿真

论文摘要

目前我国的大部分机车的110V直流电源普遍都是采用工频的相控电源,这种电源通常都是采用晶闸管作为开关管,采用半控桥式电路,这种电源重量重,体积大,效率低且不方便进行维护等缺点。近些年来,在铁路行业,开关电源的使用越来越广泛,电力机车内控制电源已经朝开关电源转化,我国在最新研制的电力机车中已经采用了高频开关电源来代替原来的工频相控电源。电力机车采用高频开关电源有着体积小,重量轻,效率高等优点。本文采用的机车高频开关电源,其主电路电路采用移向控制进行脉宽调制的零电压软开关全桥变器,采用IGBT作为开关器件。但是由于对控制策略的研究不够充分,仍然存在着效率率低,运行可靠性低且不容易进行维护等缺点。本文首先对机车110V控制电源的主电路ZVS移向全桥DC/DC的工作原理做了详细的分析,给出了现有机车110V控制电源中主电路的主要拓扑结构和机车主电路的各项参数。其次根据ZVS移相全桥DC/DC变换器由BUCK变换器变换而来,根据BUCK电路的模型推导出主电路在CCM和DCM模式下占空比对输出的传递函数。对反馈电路中的反馈网络和脉宽调制器进行建模得到整个机车控制电源的数学模型。再次就是以机车开关电源主电路为控制对象,设计了数字PID控制器和电压控制器。由于PID控制器具有结构简单,使用范围广,鲁棒性强,并能够获得良好的控制效果,所以本文采用常规PID控制器。与以往传统的方法不同,本文提出用计算机仿真来进行设计PID的参数,用此方法大大提高了设计的效率。电压控制器采用频域分析的方法,给控制对象设置补偿电路,并计算出补偿电路的各项参数。最后通过MATLAB对整个电路仿真,对比未加入控制器和加入控制器的仿真结果进行,得出加入控制器控制效果得到了明显的改善。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题的背景和意义
  • 1.2 控制器的研究现状
  • 1.3 本文的主要研究内容
  • 本章小结
  • 第二章 机车控制电源工作原理分析
  • 2.1 机车控制电源的结构
  • 2.1.1 主电路的拓扑
  • 2.1.2 主电路的主要参数
  • 2.2 工作原理分析
  • 0]:原边电流正半功率输出阶段'>2.2.1 开关模式0[t0]:原边电流正半功率输出阶段
  • 0,t1]:超前桥臂谐振过程'>2.2.2 开关模式1[t0,t1]:超前桥臂谐振过程
  • 1,t2]初级电流ip正半周钳位续流阶段'>2.2.3 开关模式2[t1,t2]初级电流ip正半周钳位续流阶段
  • 2,t3]滞后桥臂的谐振阶段'>2.2.4 开关模式3[t2,t3]滞后桥臂的谐振阶段
  • 3,t4]D2导通续流,原边电感储能返回电网阶段'>2.2.5 开关模式4[t3,t4]D2导通续流,原边电感储能返回电网阶段
  • 4,t5]开关管关断阶段'>2.2.6 开关模式5[t4,t5]开关管关断阶段
  • 5,t6]电源能量传输阶段'>2.2.7 开关模式6[t5,t6]电源能量传输阶段
  • 2.3 存在的几个问题
  • 2.3.1 占空比丢失现象
  • 2.3.2 实现ZVS的条件
  • 本章小结
  • 第三章 机车控制电源主电路的建模
  • 3.1 建模方法概述
  • 3.2 CCM模式下的建模
  • 3.2.1 Buck电路在CCM模式下的建模
  • 3.2.2 移相全桥变换器在CCM模式下的建模
  • 3.3 DCM模式下的建模
  • 3.3.1 Buck在DCM模式下的建模
  • 3.3.2 移向全桥变换器在DCM模式下的建模
  • 3.4 机车控制电源建模
  • 3.4.1 机车开关电源的闭环系统
  • m（s）的分析建立'>3.4.2 Gm（s）的分析建立
  • 3.4.3 H（s）的分析建立
  • vd（s）的分析建立'>3.4.4 Gvd（s）的分析建立
  • 本章小结
  • 第四章 机车控制电源控制器的设计
  • 4.1 控制方法
  • 4.1.1 模拟控制
  • 4.1.2 数字控制
  • 4.2 数字PID控制器的设计
  • 4.2.1 PID控制器的结构
  • 4.2.2 控制器参数对控制性能的影响
  • 4.2.3 控制规律的选择
  • 4.2.4 PID控制器设计
  • 4.3 电压控制器的设计
  • 4.3.1 理想开环传递函数的频率特性
  • 4.3.2 电压控制器设计
  • 本章小结
  • 第五章 仿真实验
  • 5.1 MATLAB软件简介
  • 5.2 仿真模型建立
  • 5.2.1 阶跃输入模型的建立
  • 5.2.2 PWM调制器模型的建立
  • 5.2.3 Gvd模型的建立
  • 5.2.4 反馈网络模型的建立
  • 5.2.5 示波器模型的建立
  • 5.2.6 控制器模型的建立
  • 5.3 仿真实验
  • 5.3.1 当Kp变化,Ki,Kd不变
  • 5.3.2 当Ki变化,Kp,Kd不变
  • 5.3.3 当Kd变化,Kp,Ki不变
  • 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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