【導讀】.MATLAB仿真技術(shù)在電力電子中的應用………………………硬件部分采用IT公司的低功耗單片機。MSP430F149作為主控器件，IR2130驅(qū)動3相功率管。系統(tǒng)采用PI反饋控制使硬件系統(tǒng)具良好的穩(wěn)壓功能。硬件設(shè)計中對變頻電源的過流，過壓，缺相等保護功能進行了闡述。50Hz的應用場合，則必須設(shè)計一個能改變頻率的變頻電源系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)主要由整流、逆變、控制回路3. 變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進發(fā)達。線性放大型和PWM開關(guān)型HY系列程控變頻電源，以微處理器為核心，率.變頻電源的主電路大體上可分為兩類，分別為電壓型和電流型。型是將電流源的直流變換為交流的變頻器,其直流回路濾波器件是電感。交流變頻電源調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應用。采用變頻電源調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。變頻電源體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。調(diào)試及用于精密儀器的供電電源。

　　

【正文】 址為 010。它控制輸出的 PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通過此寄存器進行選擇。 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 Amp7 Amp6 Amp5 Amp4 Amp3 Amp2 Amp1 Amp0 輸出的三相波幅度 Asin 由式（ 2）算出 Asin=（ DC*AMPR/255） 100％ (2) 式中： DC 為 后級功率電路的直流電壓 , AMPR——AMPR 寄存器的值（ 1～255）。 例如：如果后級功率電路的直流電壓為 60V， AMPR=217，選取純正弦波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為 ，有效值電壓為 。 (3) PWM 開關(guān)頻率和窄脈沖寄存器 FPDR（地址 001） 設(shè)置 PWM 載波的開關(guān)頻率和要刪除的無效窄脈沖寬度，地址為 001。 PWM的開關(guān)頻率是后級大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它往往取決于后級功率電路的開關(guān)時間、工作效率等要求。 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 CF1 CF0 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 PWM 頻率選擇位 CF CF0。 當 CF CF0 為 1 0 00 時，其對應的分頻系數(shù) N 則分別為 1。 PWM 開關(guān)頻率 fc 由式（ 3）算出 fc=fclk/（ 512N） (3) 例如：若時鐘頻率為 20MHz， PWM 頻率選擇字為 11，則 fc=20200000/(5128)=4882Hz PD5～ PD0 為 窄脈沖時間選擇位 ， 窄脈沖的時間 tpd 由式（ 4）算出 tpd=PD/（ fc512） (4) 式中： PD——窄脈沖時間選擇數(shù)值。 窄脈沖刪除功能是指在 PWM 波中，由于后級電路的開關(guān)時間問題，小于 tpd寬度的脈沖不能引起后級電路的動作，可以被刪除去。參見圖 32。 圖 32 窄脈沖刪除示意圖 第 23 頁 共 34 頁 (4) 死區(qū)時間選擇寄存器 DTIM（地址 100） 設(shè)置 PWM 載波的死區(qū)時間寬度，地址為 100。 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 － － DT5 DT4 DT3 DT2 DT1 DT0 PWM 載波的死區(qū)時間也是后級大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它取決于后級功率電路的導通時間和截止時間。對于采用 IGBT 作為功率輸出的電路，則尤為重要。如果設(shè)置不當，會導致功率電路燒毀或諧波失真增加，死區(qū)時間設(shè)置參見圖 33。 圖 33 死區(qū)時間設(shè)置 死區(qū)時間 tpdy 由式（ 5）算出 : tpdy=DT/（ fc512） （ 5） 式中： DT——死區(qū)時間選擇數(shù)值。 本系統(tǒng)中由于驅(qū)動芯片 IR2130 自帶死區(qū)時間，故此處將 DT 設(shè)為 0. 寄存器窄脈沖選擇和 PWM 頻率寄存器幅度控制寄存器 AMPR 頻率控制寄存器 PFR死區(qū)時間控制寄存器 DTIM， fclk=20MHz ， VDD=60V， FPWM=4882Hz， tpd=， Fsin=50Hz， tpdy=0μs (5) 開啟命令 START（地址 110） 在完成芯片的各項參數(shù)的初始化設(shè)置后，通過往地址 110 中寫入 5FH，即可以開啟芯片的 SPWM 輸出。以后的參數(shù)改變，一旦寫入寄存器即立即表現(xiàn)出來，不必再使用開啟命令了。 3. SM2020 的 使用 (1) 三線同步串行接口 SM2020 的寄存器是通過一個三線同步串行接口進行設(shè)置的。 當片選 CS 為低時，芯片進入串行通信狀態(tài)，在每個時鐘 CK 的上升沿，數(shù)據(jù)線 DA 上的數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部緩沖器，當 11 個數(shù)據(jù)位全部進入緩沖器后，在最后一個 CK 脈沖的認可 下，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入相應的寄存器，且命令被立即執(zhí)行。 地址和數(shù)據(jù)的低位在先傳入，分別為 A0、 A A D0、 D D D DD D D7。由于內(nèi)部的時序原因，在完成所有的數(shù)據(jù)輸入， CS 恢復高電平 第 24 頁 共 34 頁 后，必須在 CK 上額外地多加入一個時鐘，完成數(shù)據(jù)的認可，具體如圖 34 所示。 圖 34 數(shù)據(jù)的輸入時序 (2) 上電和復位 RST 接 低電平時，芯片進入復位狀態(tài)。此時輸出端輸出高電平，各寄存器的內(nèi)容如表 2 所列。 表 2 復位狀態(tài)時各寄存器內(nèi)容 寄存器 窄脈沖選擇和PWM 頻率寄存器 幅度控制 寄存器 頻率控制 寄存器 死區(qū)時間控制 寄存器 寄存器復位值 11111111 11001100 00111110 XX111111 VV MfDCclk 6020?? tpd= fc=4882Hz 85% 50Hz 0 復位主要是用來恢復 INT 異常中斷的狀態(tài)。如果不是首次上電，復位并不能清除開啟命令。在芯片工作中時復位，芯 片將以初始化條件輸出 PWM 波形，所以應配合使用 OE 的功能，首先關(guān)閉 SPWM 輸出（ OE=0），復位電路（ RST上加入一個負脈沖），在設(shè)置好需要的參數(shù)后，再開啟 OE，才能正常的輸出波形。 當采用 20MHz 的時鐘時，表 2 中的缺省條件表示 PWM 的頻率為 4882Hz，死區(qū)和短脈沖時間為 ，正弦波頻率為 50Hz，合成正弦波峰值幅度為電源的 85％。（注意：在芯片的 OE 不為高，或 MCU 未發(fā)送開始命令時， U、 V、 W端口并沒有實際的 SPWM 輸出） 當芯片首次上電時，也將自動復位所有的寄存器為內(nèi)部初始值，且芯片的輸出端 保持高電平（不輸出時的缺省狀態(tài)）。 4. SM2020 程序設(shè)置 SM2020 控制流程圖如圖 35 所示 圖 35 SM2020 控制流程圖 第 25 頁 共 34 頁 第四章 變頻器的 MATLAB 仿真 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，計算機軟件技術(shù)在 工業(yè)控制 領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。 同時由于 計算機運行速度的成倍提高，用圖形來表示模型的想法 變成可能?？梢暬５乃?想逐漸引起人們越來越多的重視。圖形方式信息表達與其它方式相比具有直觀、簡明的特點。用圖形來表示模型，可以直觀地反映出模型信息、模型的特性和信號的連接與傳遞關(guān)系，便于分析維護。 MATLAB 語言作為一種高級矩陣語言，不但在數(shù)值計算和符號計算方面具有強大的功能，而且在計算結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)可視化方面也有其他類似軟件難以匹敵的優(yōu)勢。 通常仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的應用不普及，主要是因為功率開關(guān)元件的數(shù)學模型非常復雜，使仿真模型的建立非常困難。 而 MATLAB 中的POWERLIB 工具箱為我們提供了各種 電力電子器件 的通 用模型，使用時只需設(shè)定參數(shù)即可。而且更改參數(shù)非常方便。用戶不需自己編程且不需推導系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 ， 系統(tǒng)建模過程更接近實際電路設(shè)計過程，且使用方便，可信度極高。另外 MATLAB 提供的 Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或者兩者的混合時間域里進行建模，它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)。 本 章采 用 MATLAB 中的 POWERLIB工具箱 和 Simulink 仿真模塊 對變頻電源整個系統(tǒng) 進行仿真。 41 MATLAB 在電力電子中 的應用 1. 電力系統(tǒng)工具箱 (Power System) MATLAB 的圖形處理系統(tǒng)為用戶提供了非常豐富的函數(shù)，用以將工程計算的結(jié)果可視化。 具有一個電力系統(tǒng)工具箱 (Power System Blockset)。這是一個基于圖形編程的電路仿真軟件，使用時不需自己編程，只需將被仿真的電路畫在工作窗口中便可進行仿真研究，如 圖 41 Block Library。 圖 41 Block Library 第 26 頁 共 34 頁 2. MATLAB 在變頻器中應用及仿真框圖 (一 ) 仿真 框圖 的設(shè)計 圖 42 為三相 變頻電源的 仿 真電路。在仿真電路圖中，雙擊 元件 ， 可 得到 各元件 的屬性設(shè)置 。 改變各項的值，運行并通過示波器來顯示各個量的變化，以便比較和研究。在仿真環(huán)境中，用戶通過簡單的鼠標操作就可建立起直觀的系統(tǒng)模型并進行仿真， 能 有機地將理論研究和工程實踐結(jié)合在一起。 圖 42 三相 變頻電源的 仿真電路 整個仿真圖由電氣系統(tǒng)模塊庫中的元件搭建組成，元件的直觀連接與實際的主電路相似，其中主要包括： 整流 環(huán)節(jié)， 直流環(huán)節(jié)，逆變環(huán)節(jié)， PI 調(diào)節(jié)器、坐標變換模塊、 SPWM 產(chǎn)生環(huán)節(jié) 。這些元件都設(shè)置有對話框，用戶可以方便的選擇元件類型和設(shè)置參數(shù)。 (二 ) 系統(tǒng) 子模塊的介紹 在第二章已介紹，要得到穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)必須帶有反饋控制。本系統(tǒng)采用PI 反饋控制。 (1) 測量模塊 (measure) 如圖 43 所示，左圖為 Block Library 中的 measure 模塊圖。其作用是測量三相電路中的電壓和電流。如同時選擇電壓和電流測量，則輸出單相對地電壓 Vabc和線電流 Iabc(如右圖 )。該模塊輸出可選擇以標幺值輸出，也可輸出實際的電壓量和電流量。若以標幺值作為輸出，則需事先選定基準值。本文采用標幺值作為輸出，且只輸出電壓量，基準值選定為 36V。 (2) 電壓調(diào)整器 (Voltage Regulator) 圖 44 為 Voltage Regulator 模塊，其為電壓調(diào)整器。主要作用是 用 abc/dq 變換把三相電壓變換成 dq 兩相，變換后 d 軸分量是電壓有效值。 將 d 軸分量與給定值進行比較，送 PI 調(diào)節(jié)器，再經(jīng) dq/abc 反變換，作為 PWM Generator 的調(diào)制信號。 第 27 頁 共 34 頁 圖 43 測量模塊 (measure) 圖 44 電壓調(diào)整器 (Voltage Regulator) 以下分別介紹 Voltage Regulator 的原理及組成部分。 (1) abc/dq 轉(zhuǎn)換器 從 負載 得到的只是三相電壓，為了模型計 算，需將其轉(zhuǎn)化成 d/q 坐標下的值，轉(zhuǎn)化器設(shè)計如圖 45。 圖 45 abc/dq 轉(zhuǎn)換器 第 28 頁 共 34 頁 派克變換是人們熟悉也是最廣泛運用的坐標變換之一。它的基礎(chǔ)是 “任何一組三相平衡定子電流產(chǎn)生的合成磁場，總可由兩個軸線相互垂直的磁場所替代 ”的雙反應原理。根據(jù)這原理，將這兩根軸線的方向選擇得與轉(zhuǎn)子正、交軸方向一致，使三相定子繞組電流產(chǎn)生得電樞反應磁場，由兩個位于這兩軸方向的等值定子繞組電流產(chǎn)生的電樞反應磁場所替代，就稱為派克變換。因此，簡言之，派克變換相當于觀察點位置的變換 ——將觀察點從空間不動的定子上，轉(zhuǎn)移到空間旋轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn)子上，并且將兩個位于轉(zhuǎn)子正、交軸向的等值定子繞組，替代實際的三相定子繞組。 經(jīng) abc/dq 變換，輸出 結(jié)果即為 d/q 坐標下的 dq 兩相電壓。 d 軸分量是電壓有效值 ，由于是三相對稱電壓，故 0 相可忽略不計。 該部分在硬件上的實現(xiàn)是通過核心器件 AD637 完成的。如第二章所述，AD637 為真有效值變換芯片，可將任意波形的信號轉(zhuǎn)換為該波形的有效值。 (2) PID 調(diào)節(jié)器 PI 調(diào)節(jié)是 工業(yè)控制 中最常用的一種控制器。調(diào)節(jié)器的目的是消除輸出與輸入的偏差 。在 工業(yè)過程進行控制采用 PID 控制，基本都能得到滿意的效果。比例控制能迅速反應誤差 ，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，但積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)地穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)地動態(tài)相應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)地動態(tài)性能?；诂F(xiàn)實中一旦加入微分環(huán)節(jié)，參數(shù)調(diào)整難度加大，因此，本設(shè)計只采用 PI 控制器。其數(shù)字實現(xiàn)離散化后算法為： ??? )()()( ieTKkeKkuip， 式中 KP 為比例增益， KI 為積 分增益， T 為采樣時間。 框圖如圖 46。 圖 46 PI 調(diào)節(jié)器 經(jīng)反復比較，選定 Kp 為 ， Ki 為 47 為其仿真波形。其中 AC_60為變壓器副邊的輸出電壓， DC_Bridge 為直流母線電壓， V_inveter 為 IGBT 的輸出波形， V_load 為負載電壓即輸出電壓，輸出電壓設(shè)定為 100HZ，如圖 47. 第 29 頁 共 34 頁 圖 47 當 Kp 為 ， Ki 為 200 的波形 為方便比較，本文此處給出選定 Kp 為 ， Ki 為 3000 的波形。如圖 48 圖 48 當 Kp 為 ， Ki 為 3000 的波形 顯然輸出 波形已明顯失真。另外選定一比較極端的情況，即當 Kp 為 ，Ki 為 1 時的波形，如圖 49。當 Ki 比較小時，即放大倍數(shù)不夠大，會引起輸出端的幅度不足。 圖 49 當 Kp 為 ， Ki 為 1 時的波形 (3) dq /abc 轉(zhuǎn)換器 第 30 頁 共