电力电子电路课程设计基于DSP和模糊控制在单相逆变电路中的研究

电力电子电路课程设计 学校： 湖北工业大学 院系：电气与电子工程学院 学生 4基于DSP和模糊控制在单相逆变电路中的研究摘要：本课题主要研究了基于dsp和模糊控制在单相逆变电路中的设计，在传统的PID控制的基础之上加入了模糊控制，根据模糊控制的适应性强、鲁棒性好且具有不依赖被控对象的精确度的特点，使之更加适合单项逆变电路的输出特性。关键字：模糊控制 单相逆变 dsp Abstract：This topic is based on DSP and fuzzy control in single phase inverter circuits of the design, in the traditional PID control on the basis of the fuzzy control to join, according to the fuzzy control strong adaptability and good robustness and has not rely on the accuracy of the controlled object characteristics and more suitable for single inverter circuits output characteristics.Keywords: Fuzzy control Single phase inverter dsp 目录1绪论41.1模糊控制技术41.2 matlab控制系统仿真技术42整体结构设计52.1电路原理框图52.2逆变电源输出电路52.3整流电路部分62.4 变频器电路73 PWM原理84 PID控制技术84.1PID控制的原理和特点85电力电子开关管的选择95.1 开关频率设计95.2 功率二极管的设计96 dsp与模糊控制模型设计106.1dsp核心处理器106.2 模糊控制器107 matlab simulink仿真127.1总体电路设计127.2 仿真结果图137.3仿真结果分析13.参考文献131绪论1.1模糊控制技术 在过去几十年，模糊控制是智能控制的一个十分活跃的研究与应用领域。于1965年提出的模糊控制的理论研究和实际应用获得广泛开展。模糊控制是一类应用模糊集和理论的控制方法。模糊控制的价值可以从两个方面来考虑。一方面，模糊控制提出一种新的机制用于实现基于知识甚至语义描述的控制规律。另一方面，模糊控制为非线性控制器提出一个比较容易的设计方法，尤其是当受控装置含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。 我国在模糊理论和应用方面的研究起步较晚，但发展很快。近年来，我国推出了电烤箱，电烤柜模糊控制器、灯光恒照度模糊控制器、模糊全自动洗衣机等产品，都标志着我国模糊技术的应用研究也有了长足的进步。当然，模糊控制无论在理论上和实用上都是一门新的学科，正处于不断发展和完善的进程之中，不像经典控制理论和现代控制理论皆已经形成了较完善的理论体系。同时，也许也正因为他的不完善和正在发展，显示了他有很大的发展潜力和前途。1.2 matlab控制系统仿真技术 目前正被广泛使用的仿真软件是美国mathworks软件公司开发的matlab编程语言。由于提供矩阵运算、数据处理、图形绘制、图像处理等强大功能，它已成为国际上最为流行的科学与工程计算的软件之一，广泛的应用于自动控制理论、数理统计、应用代数、数字信号处理、建模与化设计等领域。本课题运用matlab语言的仿真软件simulink对模糊控制系统进行了设计与仿真。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的仿真软件包，具有适合多种系统的建模功能。2整体结构设计 2.1电路原理框图在18KW，400Hz单相逆变电路中包含了变压器，逆变电源结构和原理，整流电路，变频器电路， DC-AC控制电路，整流滤波电路，PWM原理，正弦脉宽调制技术，基于dsp和模糊控制的模型设计几个单元。2.2逆变电源输出电路 1负载电阻最小值计算 cos a= 1.0 时 R = V02 / P0 = 2202 / 1.8 104 = 2.7 cos a= 0.8 时 R = V02/ P0cos a = 2.7 /0.8 = 3.4 2负载电感最小值计算 PL =sin（cos-1 cos a）P0 = 1.1104VA ZL =V02 / PL = 4.4 L=Z L / 2 f = 1.410-2 F 3、滤波电容 取滤波电容容抗等于负载电感感抗的2倍 ZC = 2 ZL =8.8 C = 1/2 f ZC = 45 uF 考虑实际情况取电容为 50 uF 5个10 uF 156 V 50HZ 的AC电容 用于400HZ时耐压降为60% 156 V 0.6 = 93.3 V ZC实 = 1 / 2 f C =8.0 2.3整流电路部分整流电路原理图 工作过程：在交流电源的提供电压的正半周期里，Q1，Q4导通，Q2，Q3处于断态；负半周期里Q2，Q3导通，Q1,Q4处于断态。通过整流电路整流作用能够满足输出的电源为直流电源。2.4 变频器电路变频器电路原理图：Q1与Q4，Q2与Q3同开同断，这两组晶闸管的通断状态相反，通过控制这两组晶闸管的导通与关断，是得输出电源的频率得以控制，通过调节，可以得到所需频率的电源。2.5整流滤波电路整流滤波电路电路图工作原理以及工作过程3 PWM原理3.1正弦脉宽调制控制 PWM原理的简介：PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 正弦脉宽调制：为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。应用最早而且作为pwm控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。4 PID控制技术4.1PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调PID控制器的参数整定PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数5电力电子开关管的选择 5.1 开关频率设计频率由四个因素确定，分别是输入电压，输出电压，电感和输入功率。在设计前电感值是未知数，所以设计上是先决定切换频率，再决定。增加下降，下降增加。越大，单位能量密度越高，体积越小，但越热。相反体积越大，就越不热。因此，可以在温度可以接受的前提下，提高，缩小体积。本课题IGBT切换频率设定为30Khz。此系统选用功率场效应管，它是多数载流子导电，不存在存储效应，因此上升和下降速度快，存储时间短，开关损耗小，可以在很高的开关频率下工作。5.2 功率二极管的设计 输出二极管选择快恢复二极管。选用IRF2807Z和40CPQ060快恢复二极管，功率二极管最大RMS电流公式：本课题设计的二极管选用耐压1000V，耐流为12A。6 dsp与模糊控制模型设计6.1dsp核心处理器选择TMS320LF2407作为核心控制器，产生PWM控制信号，并通过光耦隔离驱动可靠的导通与截止。因为工作在电压为.，所以进入的采样信号幅值必须再之间，同时加上限幅电路，以免过高或过低信号进入端口，损坏芯片。负载在标准测试条件下的开路电压仅为，实验时的气温将近摄氏度，由开路电压温度系数得实测电压。6.2 模糊控制器模糊控制器基本结构框图如下，由以上结构可以得到模糊控制器设计的流程图如下，初始值的确定根据实际测量范围确定，模拟实现良好的控制效果。Matlab具有专门的模糊逻辑工具箱，它提供了图形用户界面（GUI）和命令行方式两种，但总的来说用工具建立模糊推理系统更容易些。下图是本课题模糊控制器在中的参数设置7 matlab simulink仿真7.1总体电路设计总电路仿真图7.2 仿真结果图7.3仿真结果分析在系统运行时刻存在一定的抖动，但是在控制器的反馈调节下，基本能够实现迅速的恢复，可以确定系统基本实现良好的稳定性能。但是，在控制效果上还是不够完好。需要在参数设定上修改。.参考文献 1 王兆安，刘进军主编.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009.5 2 李元春主编.计算机系统控制.北京：高等教育出版社，2009.13曾光奇，胡均安，王东，模糊控制理论与工程应用武汉：华中科技大学出版社，20064 肖永涛，朱理，并网逆变器智能控制策略研究，黑龙江：科技论坛，2006总结这次的电力电子设计，让我们把所学的知识运用到了实例，达到了学以致用的目的。同时让我熟练了matlab的操作和使用，对以前的知识的回顾与总结。虽然完成课程设计遇到了很多困难，通过查阅资料终于个个解决了，在查阅资料的同时也掌握了平时忽略的以及从未接触过的新知识。