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基于DSP的三电平交流调速系统的研究

作　者: 廖展图
导　师: 楼云江
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 三电平逆变器空间矢量脉宽调制中点电位平衡数字信号处理器
分类号: TM464
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

传统的两电平逆变器受开关管功率和耐压等级的限制,不适合高压大功率输出。随着电力电子技术的发展,出现了一种新型的逆变器——多电平逆变器。多电平逆变器不但降低了对开关管的耐压要求,而且具有输出电压谐波含量少、电压变化率低、开关损耗小等优点,近年来在高压大功率交流调速领域得到了广泛的关注。但是多电平逆变器输出电平数增加的同时也大大增加了控制的难度以及硬件的体积和成本,因此目前国内自主研发的多电平变频器产品非常少。针对课题的设计要求,以三电平空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)算法的优化及固有的中点电位不平衡问题的解决方法为重点,研究并开发出基于三电平逆变器的交流调速系统具有重大的意义。本文首先对多电平逆变器的产生背景、研究现状和拓扑结构等进行了综述,探讨了二极管箝位式三电平逆变器的工作原理和脉宽调制策略。然后在分析三电平SVPWM调制原理的基础上,详细研究了一种优化的SVPWM控制算法及两种不同的调制方式。由于三电平拓扑结构的优势是以中点电位的平衡为基础的,而不平衡问题已成为应用中比较突出的难题之一。因此有效地控制中点电位对于系统的性能尤其重要。本文从产生中点电位不平衡问题的根本原因出发,找出解决问题的思路,设计了针对不同扇区的中点电位控制策略,提出了基于中点电压和三相电流实时检测的闭环控制器,对开关矢量的作用时间和输出序列进行有利于中点电位平衡的优化,实现了对中点电位的精确快速控制。本文设计并建立了三电平交流调速系统的硬件实验平台,并在数字信号处理器(DSP)上编写主程序和各功能模块子程序实现对调速系统的控制。实验结果表明,基于本文研究的控制算法,系统实现了对三电平逆变器的SVPWM控制并且有效地抑制了中点电位的波动。同时系统采用矢量控制原理实现了对同步电机电流闭环、速度开环的控制,满足了设计的要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题产生的背景和研究意义  10-11
  1.2 多电平逆变器的研究现状及发展前景  11-12
  1.3 多电平逆变器的的主要拓扑结构及其特点  12-14
    1.3.1 二极管箝位式  12-13
    1.3.2 飞跨电容箝位式  13-14
    1.3.3 级联式  14
  1.4 课题研究目的及主要研究内容  14-16
第2章二极管箝位式三电平矢量控制系统的设计  16-20
  2.1 二极管箝位式三电平逆变器的工作原理和调制策略  16-17
    2.1.1 二极管箝位式三电平逆变器的工作原理分析  16-17
    2.1.2 三电平逆变器的PWM调制策略  17
  2.2 三电平矢量控制系统  17-19
    2.2.1 矢量变换  17-18
    2.2.2 矢量控制方法  18-19
  2.3 本章小结  19-20
第3章三电平SVPWM调制和优化算法研究  20-32
  3.1 三电平的SVPWM调制  20-22
  3.2 参考电压矢量的合成原则  22-23
  3.3 优化的三电平SVPWM算法  23-25
  3.4 三电平SVPWM调制方法的研究  25-29
    3.4.1 单极性调制  25-27
    3.4.2 复合极性调制  27-29
  3.5 仿真和实验结果  29-31
    3.5.1 MATLAB仿真  29-30
    3.5.2 实验结果  30-31
  3.6 本章小结  31-32
第4章中点电位不平衡问题和控制策略的研究  32-47
  4.1 中点电压不平衡问题的分析  32-34
  4.2 基于闭环控制的中点电位平衡控制策略  34-43
    4.2.1 第1 小扇区的控制策略  35-37
    4.2.2 第3 小扇区的控制策略  37-40
    4.2.3 第2，4 小扇区的控制策略  40-43
  4.3 实验结果  43-46
  4.4 本章小结  46-47
第5章三电平控制系统的硬件平台设计  47-56
  5.1 三电平控制系统硬件平台总体结构  47
  5.2 DSP控制板最小系统设计  47
  5.3 功率电路设计  47-50
    5.3.1 三相二极管整流桥的选取  48
    5.3.2 输入滤波电容的选择  48-49
    5.3.3 二极管箝位三电平逆变桥的选择  49-50
    5.3.4 软启动及短路保护设计  50
  5.4 PWM缓冲驱动电路  50-51
  5.5 IGBT驱动及故障保护电路设计  51-53
    5.5.1 驱动电路几种主要形式的比较及驱动方案的选择  51-52
    5.5.2 IGBT驱动和故障保护电路的设计  52-53
  5.6 电流电压检测电路设计  53-55
    5.6.1 电流检测电路  54-55
    5.6.2 电压检测电路  55
  5.7 电源模块  55
  5.8 本章小结  55-56
第6章三电平控制系统的软件设计  56-71
  6.1 引言  56
  6.2 TMS320F2812 DSP的特点和主要功能模块介绍  56-57
  6.3 系统主程序及中断程序设计  57-58
  6.4 A/D子程序  58-59
  6.5 电流环子程序  59-60
  6.6 SVPWM子程序  60-63
  6.7 中点电压控制子程序  63-66
  6.8 实验结果和分析  66-70
  6.9 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  77-79
致谢  79

基于DSP的三电平交流调速系统的研究

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