本科毕业设计论文基于等面积法生成spwm波形算法的研究.docx
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本科毕业设计论文基于等面积法生成spwm波形算法的研究
基于等面积法生成SPWM波形的算法的研究
摘要:
SPWM波广泛应用于电力电子行业以及电动机调速和阀门控制。
本文提出一种改进后的等面积法产生SPWM波形,它具有精度高,计算简单,误差小等特点,明显优于自然采样法和规则采样法。
该系统采用三项逆变桥采用双极性控制,PWM驱动波形由89C52单片机查表发生成,IGBT的驱动电路采用IR2101芯片。
对其输出波形进行分析,证明了该方法的可行性和合理性。
经PROTUES仿真系统性能基本达到了设计要求。
关键词:
SPWM等面积法三项逆变桥89C52IR2101PROTUES
Thestudyof generatingSPWMwavealgorithmthatbasedonareaequivalentprinciple
Abstract:
SPWMwaveiswidelyusedinthepowerelectronicsindustry,theMotorspeedcontrolandtheValvecontrol.ThisstudypropoesaimprovedmethodofgeneratingSPWMwaveusingtheareaequivalentprinciple.Thismethodishighaccuracy,easytocalculateandhaslowdeviation.Itisobviouslybetterthannaturalsampledoneorregularsampledone.ThissystemuseThreeinverterbridgewithbipolarcontrol,PWMwaveisgeneratedby89C51(SCM)usinglookupmethod.ThedrivecircuitofIGBTadoptIR2101chip.Itisprovedthatthismethodisfeasibleandreasonableaftermakingharmonicanalysisofitsoutputwaveform.ThesimulationreasultsfromPROTUESshowsthesystem`srequirementsarereached.
Keyword:
SWPM,areaequivalentprinciple,Threeinverterbridge,89C51,IR2101,PROTUES
1绪论
1.1课题背景及研究意义
电力电子技术作为一门新兴技术近些年得到了飞速的发展并逐渐在电力变换,高低压变频,工业控制等等领域得到广泛的应用。
随着电压型逆变器在高性能电力电子装置,如交流传动、不间断电源和有源滤波器中的应用越来越广泛,PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术,引起人们的高度重视,并得到深入的研究。
正弦脉宽调制技术即SPWM技术是在脉冲宽度调制技术即PWM技术(它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压)的基础上改变了调制脉冲方式,脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列,这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
常用于对控制波的波形和频率有较高要求的场所,如:
对重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS(UninterruptlePowerSupply);针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS(EmergencePowerSupply);针对船舶工业用电的岸电电源SPS(ShorePowerSupply);还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等。
逆变电源是电力电子技术的主要应用领域之一,正是电力电子技术的飞速发展推动了电源技术的进步。
而电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为标志的,从某种意义上说,变频技术的发展过程正是半导体开关器件发展过程的反映。
近年来发展很快,其技术关键之一是采用了PWM方法。
自80年代初以来,各国科技人员开发了多种PWM方法。
归纳起来主要是:
自然采样SPWM、载波调制SPWM、谐波注入式PWM、最优PWM和无差拍周期补偿PWM等。
在众多的调制方法中,它们分别采用了面积法、图解法、计算法、采样法、优化法、斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等原理对逆变器进行了有效的调制。
1.2PWM波形算法和应用的发展现状
1.2.1现有主要的PWM算法
在SPWM波形生产的方法上主要是等面积法、谐波消去法和采样型SPWM法以及由此派生出的其它算法。
下面介绍一些被国内学界提出和研究过的一些等面积SPWM生产法以及一些其他的生产法进行参考。
直接等面积法----直接在一个采样间隙内正弦波小面积与生成的SPWM波所对应脉冲面积相等原理产生SPWM波,其优点时计算量小,计算过程简单,采样点少和规则采样Ⅰ法相当便于计算机实现。
缺点是计算精度不足。
精确直接等面积法----基本控制算法同直接等面积法,不同的是在计算式考虑到期间开通和关断时的死区时间并利用计算机等辅助手段更加精确的计算等效面积,这种方法较直接等面积法稍微复杂但在精度上有了很大的提升。
改进的等面积法----直接等面积法是以采样周期的几何平均中心为矩形脉冲中心,从面积等效原理可知,由这些脉冲构成的正弦波存在一定误差.一些学者提出一种改进的等面积法,即以正弦波每一等份的面积中心作为矩形脉冲的中心。
.该方法使变频器输出正弦波形的谐波分量更少。
谐波消除法----由于PWM逆变器的机理是基于调节脉冲宽度和间隔来实现输出接近于正弦渡的电流,在这种调节中产生了许多有害的谐波分量,从而使电机损耗加大,局部发热,井有可能产生严重的扭矩与振荡.为此,人们在PWM渡的基础上提出了许多改进方法。
谐波消去法就是其中一种,该法可以根据要求,消去任意频率的谐波。
谐波消去法就是在PWM方波预先确定的角度处产生槽口,以消去方渡内不希望有的高次谐波。
其缺点是该种方法在线计算十分困难,人们常将计算结果离线算出,存入计算机内,但这样存储容量极大,而且控制精度也有所降低。
对称规则采样法----该采样法的基本思想是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称.因此在每个载波周期内只需一个采样点就可确定两个开关切换点的时刻。
其优点是简化了计算公式.并可根据脉宽计算公式实时计算出SPWM波的脉宽时间,实现数字化控制,但是由于形成的SPWM波与正弦波的逼近程度仍存在较大的误差。
从而会造成一定的控制误差。
不对称规则采样法----该采样法的基本思想是同时在三角载波的顶点和底点对称轴位置进行采样。
即在每个载波周期内采样两次。
其优点是所形成的SPWM波与正弦波的逼近程度较对称规则采样有很大的提高,得到的SPWM脉宽较对称规则采样也更接近于自然采样,因此输出的波形比采用对称规则法的。
1.2.2PWM应用的背景及现状
脉宽调制型变额器主要用在两类工业功率控制装置中:
一是用于调速传动装置中,尤其广泛用于交流调速系统中。
采用脉宽调制技术控制逆变器后,使交流拖动系统实现了高调速比的平滑无级调速,出现了交流调速传动系统与直流调速传动系统相媲美、相抗衡的时代,出现了前者取代后者的趋势。
二是用于逆变电源中,特别是用在不间断电源UPS中,采用脉宽调制技术控制逆变器后,为精密仪器、计算机系统等提供了一种高可靠性的稳频、稳压和正弦波输出的无瞬间停电电源。
在目前,正弦脉宽调制技术(SPWM)在逆变电源的设计中获得了广泛的应用,其特征是用微处理器生成SPWM驱动信号,通常有查表和实时计算两种方法。
查表法要通过三角载波和正弦调制波相比较来确定开关时刻,它是根据不同的调制度和调制信号的角频率先离线计算出个开关器件的通断时刻,把计算结果存于EPROM中,运行时查表读出所需要的数据进行实时控制;实时计算法不进行离线计算,而是运行时在线计算所需的数据。
上述两种方法因自身特点的不同,各自有具体的应用场合。
电网停电时,它依靠装置内已充电的蓄电他供电,在装置内进行直流一交流变换,继续向负载提供电能,不停电时间取决于装置内的电池容量和负载功率。
上述两种工业功率控制装置,因其用途及负载性质不同,所以它们对采用脉宽调制技术控制的逆变器的结构形式和品质性能的要求也不尽相同。
目前,用于变频器的电力电子器件主要有晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)、双极型电力晶闸管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率MOS场效应管(功率MODFET),以及最近几年在这些基本器件基础上发展起来的集成模块和智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)等。
自从1964年,德国的A.Schonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想,它们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中,为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。
30多年以来,PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。
电力电子器件技术的不断发展,使得耐高压、大电流的新型电力电子器件已经应用玉电气传动系统。
世界各大电气公司将研究的重点放在中、高压大功率变频调速上,高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面问题有很大的技术难度,成为各大电气公司竞争的热点。
在大功率交-交变频调速技术方面,法国阿尔斯通以能提供单机容量达3万KW的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单机容量为6万KW的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司SinowertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600KVA和SinowertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100-900KVA,其控制系统已全面数字化。
国外变频交流调速技术高速发展有以下特点:
(1)、市场的大量需求。
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺,变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合,已取得显著的经济效益。
(2)、功率器件的发展。
今年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产已经并联、串联技术的发展应用,使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
(3)、控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制、自适应、神经网络等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;32位高性能微处理器及信号处理器和专用集成电路(ASIC)的快速发展,为实现变频调速传动设备高精度、多功能提供了硬件手段。
(4)、基础工业和各种制造业的高速发展,变频调速传动设备相关配套件实现了社会化、专业化生产。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平还有一定差距。
在大功率交-交变频、无换向器电机等变频技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化及系统的可靠性方面与国外还有相当差距。
而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷杨方面有很大需求。
在中小功率变频技术方面,国内学者作了大量的变频理论的基础研究,早在80年代,已成功引入矢量控制的理论,针对交流电机的多变量、强耦合、非线性的特点,采用了线性解耦和非线性解耦的方法,探讨交流电机变频调速的策略控制。
进入90年代,随着高性能单片机和数字信号处理器的使用,国内学者紧跟国外最新控制策略,针对交流感应电机特点,采用高次谐波注入SPWM和空间矢量控制(SVPWM)等方法,控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测,在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的
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