【導(dǎo)讀】理論研究型（）；計算機軟件型（）；綜合型（√）。器），控制器策略調(diào)研與設(shè)計；制；應(yīng)急供電狀態(tài)切換。一種在緊急斷電情況下，可以盡量減小人們損失的產(chǎn)品?，F(xiàn)EPS相對于其他產(chǎn)品的優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景。不可控整流電路，雙向DC/DC變換器，單相SPWM逆變器三個部分。通過所設(shè)計的控制電路對EPS系統(tǒng)的各部分進(jìn)行控制，以實現(xiàn)在市電

　　

【正文】 的使燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 用頻率不會很高，充電時間長可以接受。所以在降壓模式下對 DC/DC 變換器使用電壓負(fù)反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，使用電壓單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 恒壓充電控制設(shè)計 根據(jù)上一節(jié)對雙向 DC/DC 變換器的小信號模型分析，綜合系統(tǒng)考慮，得到變換器在充電狀態(tài)下的閉環(huán)系統(tǒng)方框圖，如圖 311 所示。 + 圖 311 恒壓充電閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 圖 311 中使用 PI 調(diào)節(jié)器為電壓調(diào)節(jié)器，得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： )( )()( 22 bbm bip RLssLCRsV RKKsG ???? (321) 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)： bipbbmbip RKsKRLssLCRsV RKsKs )()( )()( 22 ??????? (322) 由上式可知雙向 DC/DC 變換器為三階系統(tǒng)，可采用極點配置法對上述系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，其中有三個閉環(huán)極點，設(shè) ζ 為期望的阻尼比， ω 為自然頻率，閉環(huán)主導(dǎo)極點為： 221 1 ???? ???? js 、 (323) 閉環(huán)非主導(dǎo)極點為： ??ns ??3 (324) 式中 n 為常數(shù)， n 的值越大，系統(tǒng)特性越接近于閉環(huán)主導(dǎo)極點決定的二階系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為： 32223321 )12()2())()(()( ?????? nnsnsssssssssD ?????????? (325) VR mV1 bbb RLssLCR sCR ?? ?222 1 12 ?sCRRbb 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計 23 由式 321 和 324 可得： ????????????????232222)12()2(LCRVnRKLCRVnKRRVLCRnLVbmbibmpbbmbm?????? (326) 已知參數(shù)為： L=19mH， C1=70μ F， C2=3000μ F，輸入電壓 Uin=220V，蓄電池電壓 E=120V，蓄電池等效電阻 Rb= ,考慮到響應(yīng)速度和超調(diào)量，本文選取的預(yù)期阻尼比 ζ =，預(yù)期自然頻率 ω =2020， n=7，計算出 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)為 Kp=2， Ki=，結(jié)合實際仿真情況，最后選取 Kp=， Ki=。 恒壓放電控制設(shè)計 蓄電池放電時，由雙向 DC/DC 變換器給 SPWM 逆變器供電，此時需要電壓為恒定值，來提高逆變器供給負(fù)載的電源質(zhì)量，根據(jù)前幾節(jié)的介紹，可以得到放電模式下閉環(huán)系統(tǒng)方框圖，如圖 312 所示。 + 圖 312 放電模式閉環(huán)系統(tǒng)框圖 蓄電池放電時的推導(dǎo)過程和充電時一樣，系統(tǒng) ,使用的任然是 PI 調(diào)節(jié)器控制電壓閉環(huán)負(fù) 反饋，設(shè)負(fù)載大小為 RL=20Ω ， C1=70μ F， D2=，所求的 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為 Kp=1， Ki=1，結(jié)合實際仿真情況，最后選取 Kp=， Ki=1。 單相 SPWM逆變器 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時 ,蓄電池通過雙向 DC/DC 電路升壓放電 ,通過 4 個IGBT 組成的橋式逆變器將直流電變換成交流電，再經(jīng)過濾波器濾除諧波向負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。 VR mV1 2212 )( )( DDRLssLCR UDRsLLLinL ??? 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 SPWM逆變器工作原理 如圖 313 所示，逆變器電路共有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。橋臂 1 和 4 為一對，橋臂 2 和 3 為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 180176。其輸出電壓的波形為矩形波。電感 L 和電容C 組成了濾波電路，輸出電壓經(jīng)過濾波電路后將變?yōu)檎也ㄝ敵?。 V D1V D3V D2V D4RV1V2V3V4LC 調(diào) 制電 路UrUc 圖 313 單相橋式 SPWM 逆變電路 圖中 Ur 為調(diào)制波， Uc 為三角載波，本設(shè)計使用的是雙極性控制，三角波有正有負(fù)，在 Ur 的一個周期內(nèi)，輸出的 PWM 波有 177。 Ed 兩種電平。在調(diào)制型號和載波信號的焦點時刻控制 IGBT 的通斷。當(dāng) UrUc 時，給 VD1和VD4導(dǎo)通信號，給 VD2和 VD3關(guān)斷信號，這時若 i00，則 VD1和 VD4導(dǎo)通，若 i00，則 VD2和 VD3導(dǎo)通，不管哪種情況都是輸出電壓 U=Ed。當(dāng) UrUc時，給 VD2和 VD3導(dǎo)通信號，給 VD1和 VD4關(guān)斷信號，這時若 i00，則VD2和 VD3導(dǎo)通，若 i00，則 VD1和 VD4導(dǎo)通，不管哪種情況，輸出的電壓都為 U=Ed。 逆變器控制策略分析 SPWM 控制技術(shù)比較常見的有兩類：基于周期反饋的控制和瞬時反饋第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計 25 控制?；谥芷诜答伩刂浦饕念愋陀校弘妷河行е悼刂?，重復(fù)控制，諧波補償控制；瞬時反饋控制主要的類型有：單一電壓瞬時值反饋控制，帶 電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制，狀態(tài)反饋控制，誤差拍控制，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 根據(jù)設(shè)計要求和對系統(tǒng)功能的分析，本設(shè)計的 EPS 使用帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制。 單閉環(huán)系統(tǒng)只檢測輸出端的電壓，只有在負(fù)載端受到擾動的影響后系統(tǒng)才能做出相應(yīng)的調(diào)整以應(yīng)對誤差信號。使用雙閉環(huán)設(shè)計，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別為電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別引入電壓負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，將兩者進(jìn)行串級連接，把電壓調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 SPWM 逆變器上開環(huán)器件的導(dǎo)通，這樣電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)作為 外環(huán)，電流環(huán)還可以將輸出的濾波電路電流變換為可控的電流源，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，電壓電流調(diào)節(jié)器都使用 PI 調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) SVrVm 圖 314 SPWM 調(diào)制示意圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 如圖 314 所示， Vr 為三角載波峰值， Vm為參考正弦信號，如圖 313 SPWM 逆變器的拓?fù)潆娐?，設(shè)輸入端為直流電壓源 Vg，電感和電容的濾波電路傳遞函數(shù)可以表示為： 11)(2 ??? sRLL C ssG (327) 雙極性 SPWM 調(diào)制時 Vi 可以表示為： )12( ?? EEVi (328) 式中 S 為開關(guān)函數(shù)，當(dāng) VD1 導(dǎo)通時 S=1，當(dāng) VD2導(dǎo)通時 S=0，由于開關(guān)函數(shù) S 的存在式 328 中的 Vi 不連續(xù)，由式 328 求開關(guān)周期平均值得 )12( ?? sEVi (329) S 開關(guān)周期平均值為 )(tDs ? ，式中 D(t)為占空比，由式 328 得 )1(21 rmVVD ?? (330) 將式 330 帶入式 329 得 rmi VEVV ? (331) 可以得出從調(diào)制器輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù)為： rmi VEsV sVK ?? )( )( (332) 由電壓電流雙閉環(huán)控制可知，電壓反饋值與正弦波參考信號比較產(chǎn)生誤差，誤差信號經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生電流控制基準(zhǔn)信號，再由電流反饋值與基準(zhǔn)電流信號比 較產(chǎn)生誤差信號，再進(jìn)過一個 PI 調(diào)節(jié)器，與三角載波比較產(chǎn)生用于控制開關(guān)器件的 SPWM 脈沖信號。 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計 27 + + 圖 315 逆變器雙閉環(huán)控制框圖 如圖 315 所示， KU 為電壓 PI 調(diào)節(jié)器，設(shè)其傳遞函數(shù)為 )11(sTK sV ?，KI 為電流 PI 調(diào)節(jié)器，設(shè)其傳遞函數(shù)為 )11(sTK si ?， α 、 β 分別為電流、電壓反饋系數(shù)，可得電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： )( )1()11()( 2 RLsR C L sV R C sEsTKsGi rsi ?? ??? ? (333) 電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ?????? ????????? ???????riririVEsKRsRCVEsKLR C L sR C sVEsKsi)11()11()1()11()(2????? (334) 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： RLsR C L sVEsKRsKsG rivv ????? 2)11()11()( ???? (335) 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： rivriVEsKRsKRLsR C L sR C sVEsKsi)11()11()1()11()(2??????????????? (336) KU KI rVE RLsRCLsRCs ???2 1 1?RCsR α β 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 逆變器的參數(shù)設(shè)計 LC濾波器的參數(shù)設(shè)計 LC 濾波器的設(shè)計要考慮到開關(guān)器件的開關(guān)頻率，最大允許輸出的紋波電壓、電流。參考本章第 二節(jié)中的介紹，逆變器中開關(guān)器件（ IGBT）的開關(guān)頻率定為 fs=20kHz。 由 LC 濾波器可知 sfLC ?2)101~51(1 ? (337) 濾波器中電感 L 可由式 338 求得 smgfIVL 2? (338) 將最大紋波電流 Im控制在負(fù)載電流峰值的 20%以下 AU SI m %20220 50 002%202 0 ?????? mHfIVL sm g 2452 3 ?????? 根據(jù)實際的仿真結(jié)果，電感值取 L=。 若將紋波電流近似看作正弦波，在濾波過程中由電容吸收，可以得到輸出紋波電壓最大值 Um為 LCfUCLfIU g ggmm 242 1 ?? ?? (339) 令輸出的紋波電壓控制在 1%以下，可得 FLfU VC ggg ??? 00 2 454 23 ??????? ? 根據(jù)實際的仿真結(jié)果，電容值取 C=20μ F。 雙閉環(huán)的參數(shù)設(shè)計 由電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)式 333 可知電流內(nèi)環(huán)為三 階系統(tǒng)， 可得系統(tǒng)開環(huán)的零、 極點 分別 為： 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設(shè)計 29 RCS 10 ?? (340) 01?S (341) ?????? ???? LCLRRCS 41121 2232 、 (342) 由于極點 S1 與零點很 接近，對系統(tǒng)的影響不大，所以系統(tǒng)可以近似為二階系統(tǒng)，其性能將有主導(dǎo)極點 S S3 決定 ，式中 L=， C=20μ F，設(shè)負(fù)載電阻為 R=30Ω ，輸入電壓 Vg=245V，輸出電壓 V0=220V，經(jīng)過計算和實際仿真實驗，電流內(nèi)環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)最后取 Kp=， Ki=30。 由雙閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式 335 可知雙閉環(huán)系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)零、極點分別為： ??? E VKRKS miV??0 (343) 01?S (344) ???????? ?????????? LCRCRCS 41121 232 、 (345) 與上一個開環(huán)相似， 由于極點 S1 與零點很 接近，對系統(tǒng)的影響不大，所以系統(tǒng)可以近似為二階系統(tǒng)，其性能將有主導(dǎo)極點 S S3 決定，經(jīng)過計算和實際仿真實驗，電壓外環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)最后取 Kp=， Ki=