【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。三相四橋臂逆變電源可以在三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)保持三相輸出電壓的對(duì)稱輸。壓和電感電流等各個(gè)變量之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。的情況下，可以提供三相對(duì)稱電壓。三相電壓和電流通過瞬時(shí)對(duì)稱分量法可以分

　　

【正文】 三相四橋臂逆變電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括主電路拓?fù)潆娏﹄娮釉骷脑O(shè)計(jì)， DSP 芯片電路的設(shè)計(jì)以及外圍控制電路的設(shè)計(jì)。 功率主電路設(shè)計(jì) 主電路由輸入直流電壓源和四對(duì)橋臂構(gòu)成。 輸入直流電壓源 400V 是將工業(yè)使用的三相 380V 交流電通過調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓，再通過一個(gè)三相整流橋整流后得到的。由于獲取的輸入直流電壓源可能含有高次諧波，將影響到逆變電源三相輸出電壓的 THD，需在直流側(cè)并上兩個(gè)串聯(lián)的濾波電容。本系統(tǒng)中取兩個(gè)濾波電容參數(shù)相同且容值均為 1000μ F，耐壓值為 400V。在實(shí)驗(yàn)過程中注意到，濾波電容具有儲(chǔ)存電能的特點(diǎn)，電容經(jīng)過充電以后電壓具有一定危險(xiǎn)系數(shù)，需要在實(shí)驗(yàn)之后將電容放電幾分鐘釋放殘留的電能，以免出現(xiàn)不安全因素。四對(duì)橋臂需用 8 個(gè)功率開關(guān)管。逆變電路中常用的功率開關(guān)管有 GTR（大功率晶體管）、電力 MOSFET（功率場效應(yīng)管）、 IGBT（絕緣柵極雙極性晶體管）和 IPM（智能功率模 33 塊）。 IPM 作為一種新型智能功率開關(guān)器件，它具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率低、耐壓性好的特點(diǎn)，并且綜合了 GTR 和 MOSFET 兩者優(yōu)點(diǎn)。 IPM 區(qū)別于其他功率開關(guān)管的最大特點(diǎn)就是 IPM 模塊內(nèi)部封裝了包括邏輯、檢測、控制和保護(hù)的集成電路。 由于直流側(cè)電壓 dcV 為 400V，根據(jù)電壓等級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式有每相橋臂單管承受電壓為： （ 41） 式（ 41）中 為過電壓系數(shù)， a 為安全系數(shù)，一般去 ~， 100 為電壓尖峰。由上式可計(jì)算出 IGBTV 最大在 800V 以上。 三相負(fù)載電流額定值設(shè)置為 10A，考慮到電力電子器件的工作安全裕量和系統(tǒng)發(fā)生容易過載情況，功率元器件的電流額定值的選取應(yīng)該適當(dāng)放寬到 20A~30A。若發(fā)生一相空載的嚴(yán)重不對(duì)稱情況，第四橋臂通過電流跟前三個(gè)橋臂也在同一個(gè)電流等級(jí)。通過以上對(duì)電壓、電流定額以及功率器件的基本參數(shù)要求，本文選用的 IPM 模塊為三菱公司生產(chǎn)的 PM100DSA120，四個(gè) IPM 模塊搭建 四橋臂主電路。 IPM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如 42所示。 圖 42 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖中 VP1 和 VN1 分別為上下橋臂單元電源， CP1 和 CN1 分別為上下橋臂單元觸發(fā)信號(hào)， VPC 和 VNC 分別為上下橋臂單元電源地， FPO 和 FNO 分別為上下 34 橋臂單元故障信號(hào)。 IPM 外圍的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)雖然比 IGBT 要相對(duì)簡單，但其設(shè)計(jì)要求更嚴(yán)格， IPM 驅(qū)動(dòng)電壓為 15V，低于 時(shí)， IPM 內(nèi)部會(huì)發(fā)出欠電壓保護(hù)信號(hào)，當(dāng)驅(qū)動(dòng) 電壓高于 20V 時(shí)，為了防止損壞內(nèi)部模塊， IPM 內(nèi)部發(fā)出過電壓保護(hù)信號(hào)通過外圍電路進(jìn)入 DSP 控制電路。 （ 1） 為了防止電路間相互干擾，每一路功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電源要進(jìn)行隔離， 本文三相四橋臂逆變電源四對(duì)橋臂需要 8 個(gè)隔離電路。 （ 2） DSP 控制電路與 IPM 之間的信號(hào)需要隔離，隔離電路應(yīng)選用光電隔離芯 片電路，因此本文三相四橋臂逆變電源的脈寬調(diào)制波的隔離信號(hào)采用 HCPL4504 芯片，保護(hù)信號(hào)的隔離選用 PC817。 （ 3） IPM 功率模塊與驅(qū)動(dòng)電路模塊之間的信號(hào)連接盡量使用比較短的導(dǎo)線， 由于電力電子器件組成的電路，導(dǎo)線過長會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁效應(yīng)，相鄰 線路之間會(huì)引起電磁干擾，導(dǎo)致橋臂之間開關(guān)管信號(hào)的誤觸發(fā)。 （ 4） 外圍驅(qū)動(dòng)電路輸出端的電容不能選取過高，以免引起誤觸發(fā)。 LC 濾波電路和控制電路設(shè)計(jì) 由于逆變電源四對(duì)橋臂輸出的三相交流波形是與正弦波等效的 PWM 波形，PWM波形狀為占空比不斷變化的矩形方波，其中包含大量可能會(huì)損壞負(fù)載的高次諧波。根據(jù)三相四橋臂逆變電源主電路拓?fù)淇芍?，必須在三相電壓輸出端和三相?fù)載之間加上 LC 低通濾波器。 本文選取的逆變電源開關(guān)頻率 為 f =10KHz， LC 低通濾波器的截止頻率一般取 ~ f ，本文選 2 KHz 作為濾波器截止頻率，截止頻率 cf 計(jì)算公式如下： （ 42） 三相四橋臂逆變電源額定功率為 3KW，額定輸出電壓峰值為 220V，那么額定負(fù)載為 （ 43） 一般取： （ 44） 35 又因?yàn)? LC 低通濾波器本身也存在一個(gè)等效阻抗， （ 45） 綜合以上公式（ ） ~（ ），本文選用的 LC 低通濾波器的參數(shù)為： L=5mH，C=10 F。 DSP（ Digital Signal Processor）是一種以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的可編程專用芯片，它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和高 運(yùn)行速度兩大特點(diǎn)。 DSP 在信號(hào)處理、儀器儀表、自動(dòng)控制等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。因?yàn)榭紤]到硬件資源的匹配、芯片運(yùn)算速度和精度的需求、芯片的價(jià)格等諸多綜合因素，本文的三相四橋臂逆變電源系統(tǒng)選用了 TI（德州儀器）公司的 TMS320F2812 作為主控芯片，并采用雙閉環(huán)控制策略。 TI 公司新推出的功能強(qiáng)大的 TMS320F2812 是 TMS320LF2407A 的升級(jí)版本，其最顯著的差別是運(yùn)算速度比 TMS320LF2407A 有了質(zhì)的飛躍，從最高的 40MIPS 躍升到 TMS320F2812 的 150MIPS，處理數(shù)據(jù)位數(shù)也從 16 位躍升至 32 位。最大的亮點(diǎn)是 TMS320F2812 擁有事件管理器具有 EVA 模塊、 EVB 模塊和配套的 12 位 2 個(gè) 8 通道級(jí)聯(lián)的 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，再加上豐富的 CAN、 SCI 等外設(shè)接口使其對(duì)三相四橋臂逆變電源系統(tǒng)的控制具有明顯優(yōu)勢。 TMS320F2812 在 DSP 一系列升級(jí)版本中具有顯著的優(yōu)勢， F2812 不僅繼承了F2407 的優(yōu)先，并擴(kuò)展了 F2407 的源代碼編程能力，同時(shí)還具有強(qiáng)大的的 C/C++語言編輯器。 TMS320F2812 主要特點(diǎn)如下： TMS320F2812 擁有功能強(qiáng)大的高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)， CPU 主頻處理速度高 達(dá) 150MHz。 TMS320F2812 采用 8 級(jí)保護(hù)流水線結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可依次訪問內(nèi)存，并保證 TMS320F2812 的高速運(yùn)行。 TMS320F2812 不僅具有 32 32 位 MAC 乘累加能力和強(qiáng)大的 64 位信息 處 理能力，還可以迅速反應(yīng)中斷信號(hào)，同時(shí)還具有自動(dòng)保存關(guān)鍵寄存器的內(nèi)容 的能力， TMS320F2812 芯片的兩個(gè)事件管理器可以高速響應(yīng)事件信號(hào)， 因此 TMS320F2812 在解決復(fù)雜任務(wù)時(shí)，能夠高效的解決繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算問題。 TMS320F2812 的內(nèi)存總線結(jié)構(gòu)包括外部擴(kuò)展接口、數(shù)據(jù)讀以及數(shù)據(jù)寫三條總 36 線。和多數(shù) DSP 芯片一樣， TMS320F2812 的內(nèi)存和外設(shè)在與 CPU 之間依然 采用多總線來傳遞數(shù)據(jù)。 TMS320F2812 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)總線包括讀總線和寫總線，兩者又分 別包括 32 位地址線和 32 位數(shù)據(jù)線。程序讀總線也同樣包括 32 位地址線 以及 32 位數(shù)據(jù)線。 TMS320F2812 可以對(duì)某條指令執(zhí)行取、 讀、寫一系列操 作并且在一個(gè)周期就可以完成。外部設(shè)備和存儲(chǔ)單元連接到哈佛總線結(jié)構(gòu)必 須按照規(guī)定的先后順序訪問內(nèi)存。一般規(guī)定內(nèi)存總線訪問優(yōu)先級(jí)如下：高優(yōu) 先級(jí)順序依次為寫數(shù)據(jù)、寫程序、讀數(shù)據(jù)、讀程序；低優(yōu)先級(jí)為取指令。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形及分析 根據(jù)本文提出的基于對(duì)稱分量法的控制策略和四橋臂逆變器的軟硬件設(shè)計(jì)，在四相逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成開環(huán)空載，開環(huán)帶一相負(fù)載，閉環(huán)和閉環(huán)帶一相負(fù)載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：直流母線電壓為 100V，負(fù)載為 0~700W 白熾燈； IGBT的死區(qū)時(shí)間為 。下面為實(shí)驗(yàn)結(jié)果 波形及分析。 (1)開環(huán)實(shí)驗(yàn) 開環(huán)空載試驗(yàn)相電壓波形如圖 43所示，圖中 A、 B 表示 A相電壓和 B 相電壓可以看出 A、 B 相電壓幅值相等，相位差 120176。，為平衡電壓。開環(huán)帶 A 相負(fù)載相電壓波形如圖 44所示。由圖可知，帶 A 相負(fù)載后， A相電壓有明顯的電壓降落，同時(shí) B相電壓升高（ C相電壓也升高，圖中未顯示），造成輸出相電壓不平衡。 圖 43 開環(huán)空載相電壓波形 37 圖 44 開環(huán)帶 A相負(fù)載相電壓波形 (2)閉環(huán)實(shí)驗(yàn) 閉環(huán)空載實(shí)驗(yàn)相電壓波形如圖 45 所示，可見輸出 A、 B 相電壓為平衡電壓。輸出相電壓峰值給定值為 40V，可見閉環(huán)空載下控制效果良好。 圖 45 閉環(huán)空載相電壓波形 圖 46 閉環(huán)帶負(fù)載相電壓波形 38 閉環(huán)帶 A 相空載實(shí)驗(yàn)相電壓波形如圖 所示，可見 A、 B 相電壓是平衡的。說明在閉環(huán)帶一相負(fù)載的情況下，本文提出的控制策略是可行的、有效的。 本章小結(jié) 本章完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并且完成系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)物理實(shí)驗(yàn)。在帶不平衡負(fù)載的情況下，可以很好的控制四橋臂逆變器輸出三相平衡電壓，從而驗(yàn)證了本文提出的控制策略的有效性和可行性。 39 結(jié)語 本文主要研究的問題是帶不平衡負(fù)載情況下三相逆變器輸出三相電壓不平衡。主要研究對(duì)象是三相四橋臂逆變器，提出了基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的控制策略。通過仿真和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性分析了三相靜止坐標(biāo)系下和同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，分析表示兩種模型都無法進(jìn)行有效的控制。完成了各序分量在 dq 同步坐標(biāo)系下的平均模型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出各序分量的雙閉環(huán) PI 控制策略，對(duì)零序分量控制進(jìn)行了改進(jìn)。在 SABER 仿真平臺(tái)完成系統(tǒng)仿真模型搭建 完成了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn) 8 路 PWM 信號(hào)輸出，編寫并反復(fù)調(diào)試軟件算法，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)。通過對(duì)比系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)物理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的控制策略的有效性和可行性。 40 參考文獻(xiàn) [1] 余雷 .三相四橋臂逆變電源研究與設(shè)計(jì) [D].重慶理工大學(xué) ,2020. 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