应用于装甲装备的中频逆变电源及其数字控制技术研究

发布时间：2017-03-01 14:44

第一章  绪论 

1.1  课题研究的背景和目的 
在二十世纪初，为打破第一次世界大战的僵持状态，英国人研制了集火力、机动和防护于一体的新式武器――坦克，从此拉开了装甲装备在战争中广泛运用的序幕，开辟了陆军机械化的新时代。从第一次世界大战中 18 辆坦克，到第二次世界大战期间的 30 万辆坦克和自行火炮[1]，再到近代的局部战争大量使用坦克的战例，一次次的战争实践表明，装甲装备在现代高技术战争中仍发挥着重要作用[2]。随着光学、计算机、自动控制、电力电子和材料学等学科的发展，多种电控军械装备应运而生，由于装甲装备超强的越野和防御生存能力，以及超大的载重特性，世界上的装甲装备设计师们充分发挥想象力，陆续将机枪、火炮、各型导弹、激光武器、电磁炮等新武器融合进装甲装备里，形成了一个个新的战车模型，如主战坦克、自行防空火炮、自行榴弹炮、电磁炮等[3]。随着电气和电子系统的快速发展，新的智能设备陆续运用于系统中，装甲装备也更加自动化和智能化[4]。在军事装备飞速发展的今天，现代化的装甲部队仍是一个国家军事战略的重要支撑力量，不断提升装甲装备性能仍是一项艰巨的任务。 装甲装备的供电系统是整个装甲系统的重要组成部分，它负责向全车上的电子设备提供高质量的电能，保障其正常运行[5]。目前，装甲装备的动能均由燃油发动机提供，电能则由燃油发动机带动旋转式交流机转换而来，这种能量产生及转换方式简单直接、故障率低，但也存在一些不足： （1）能量浪费大。装甲装备所需总能量为装甲机动能量与车上设备工作所需能量之和，而装甲机动能量所占比例较大。装甲装备训练重在武器的训练，70%的训练是在无机动状态下进行的，但由于没有其它供电方式，无机动训练时燃油发动机只能轻载运行。以某型号履带式装甲装备为例，该装甲装备的柴油发动机满载功率为883k W，而炮塔工作所需电源由柴油发动机通过液压驱动一台混合励磁同步发电机提供，功率仅为 30k W，在作无机动训练时，造成大量能量浪费，同时消耗了柴油发动机的摩托化小时。 （2）不隐身。在未来战争中，信息的获取与对抗一定程度上决定了胜负的走向，因此，在探测技术发展的同时，隐身技术也在不断提高。在现有装甲装备中，燃油发动机工作时会产生高分贝的噪音和大量的红外辐射。尽管伪装工程师们提出了大量的红外辐射抑制技术，但还是很容易被技术先进的红外探测器发现[6]。 
.......

1.2  中频逆变电源的优势 
工频逆变电源普遍存在体积大、重量重、成本高等缺点，在装甲装备、飞机等特殊行业无法满足使用。相比较而言，中频逆变电源有以下两大优势： (1) 可小型化。中频逆变电源的基波频率是工频电源的 8 倍，，由于输出滤出器的截止频率与基波频率成比例，随着基波频率的提升，截止频率也提升，则输出滤波电感和电容的取值可以减小；而变压器体积跟随伏秒值变化，在高频驱动下，周期变小，伏秒值下降，则高频变压器的体积可以减小。由于输出滤波电感、电容和变压器的体积和重量在系统中所占比例较大[10]，当它们都减小时，整个系统就会变轻、变小。 正是由于具有以上特点，400Hz 中频逆变电源在军用装备中得到广泛应用，成为了很多军事装备的标准电源配置，特别是在军用陀螺仪中，因为陀螺的旋转速度和稳定性直接决定着系统的精度，只有高精密的中频电源才能满足陀螺的高速旋转的电源需求。 
..........

第二章   三相逆变电源主电路拓扑结构及数学模型 

本文设计的静止式逆变器因使用环境特殊，要求有较高的可靠性和良好的稳定性，所带负载为 400Hz 的三相四线制不平衡负载，所以，必须要选择合适的主电路拓扑结构。

2.1  三相四线制逆变电源主电路拓扑 
常见的三相逆变电路为三相三线制，但当负载为不平衡负载或非线性负载时，负载的中性点会发生偏移，输出的相电压和相电流会不平衡，从而可能造成某相电压过高，从而损坏逆变器，为保证输出的三相电压对称，增加一条通路提供给零序电流，由此形成了三相四线制逆变拓扑。从目前技术发展来看，三相四线制拓扑主要有以下四种，分别是:  三相全桥逆变式（接△/Y 变压器）、三相半桥分裂电容式逆变、三相四桥臂式逆变[15]和组合式三相逆变[19]。如图 2-1 所示。三相全桥逆变拓扑如图 2-1(a)所示，结构比较简单，前端使用 6 个功率管逆变输出三相三线制电压，后端接带中线连接的变压器使输出端有中点，为零序电流提供一条通路，从而得到三相四线制的输出电压，提高了其带不平衡负载的能力，但由于此变压器工作在基波频率，其体积和重量较大，从而增加逆变器的体积和重量。三相半桥分裂电容式拓扑如图 2-1(b)所示，是在三相全桥逆变的基础上，在直流测串联两个电容，将串联电容的中点作为输出的中点，使中性电流的直接分量流过分压电容，为零序电流提供一条通路，为保证中点电位不偏移，就必须使用大容量电容，从而增加了体积和重量。同时，可利用电压只有直流母线电压的一半，利用率低。目前，三相半桥分裂电容式拓扑结构仅使用在低压小功率电路中。 
..........

2.2  四种主电路拓扑的功耗比较 
逆变系统中，功率损耗是一个重要指标参数，而主电路所产生损耗能达到系统损耗的 90%。为选择最优拓扑，在假设其它条件均相同的情况下，对四种拓扑的功率损耗进行对比分析。由于 IGBT 模块的生产厂家、模块型号众多，为保证对比数据计算可靠，本文选用嘉兴斯达半导体股份有限公司生产的型号为 GD100HFL120C2S IGBT模块进行分析。 主电路的损耗主要是由 IGBT、反向并联的二极管和模块引线电阻损耗组成。在工作状态下，IGBT 和反向并联的二极管均处于关断、导通的无限循环中，每一个过程都会产生损耗。为便于计算，将总损耗分为通态损耗和开关损耗两大类[20]。本章根据设计负载需求，将逆变器拓扑选择为三相四线制拓扑结构，通过对四种三相四线制拓扑结构的特点、带不平衡负载能力、功耗和可靠性进行对比分析，确定了组合式三相逆变拓扑最适合本设计要求。再通过对组合式三相逆变拓扑的等效电路的分析，导出了它的状态方程，推导了组合式三相逆变拓扑在静止坐标系下可以独立控制，互不影响，并通过仿真验证了这一特性，为下一章的控制策略分析打下基础。 
...........

第三章   系统控制策略研究 .......... 17 
3.1  单极倍频 SPWM 调制 .......... 17 
3.2  双闭环 PI 控制策略 .... 19 
3.2.1  电感电流内环的双闭环控制策略 ..... 20 
3.2.2  电容电流内环的双闭环控制策略 ..... 21 
3.2.3  两种闭环控制策略的幅频特性分析对比 ............. 21 
3.2.4  两种闭环控制策略的仿真分析对比 ........... 25 
3.3  带有效值反馈的双闭环控制 .......... 31 
3.4  小结 .......... 33 
第四章  系统整体设计 .......... 34 
4.1  系统硬件电路设计 ...... 34
4.2  系统软件设计 .... 46 
4.3  小结 .......... 56 
第五章  实验结果分析 .......... 57 
5.1  采样信号和 SPWM 驱动信号调试 .......... 57 
5.2  单相逆变系统实验 ...... 59 
5.3  组合式三相逆变系统实验 .... 60 
5.4  小结 .......... 61  

第五章  实验结果分析 

根据前几章节的设计，搭建了一台输出功率为 30k VA 的组合式三相 400Hz 中频逆变电源原理样机。为保证实验顺利进行，实验遵循循序渐进，先弱电后强电，先开环后闭环，先小功率后大功率的原则进行。其原理样机的主要参数如表 5-1 所示。

5.1  采样信号和 SPWM 驱动信号调试 

对反馈信号的采样精度将直接影响调制的效果，在 4.1.4 节分析了反馈电压、电流信号采样电路的工作原理，在 4.2.2.3 节推导出了反馈电压、电流信号的转换公式。当输出电压为-311V~311V 时，DSP 的采样信号输入电压对应为 0.2V~2.8V，当输出电流为-60A~60A 时，DSP 的采样信号输入电压对应为 0.2V~2.8V。如图 5-2 所示，为输出电压、电流的反馈信号与采样信号图。图中第一路为输出电压电流信号，第二路为采样信号。从 DSP 的增强型脉宽调制(e PWM)模块产生 SPWM 波的原理可知，增减模式的三角载波形形成原理为：e PWM 的时间基准计数寄存器 TBCTR 的计数是从 0 开始，每一个基准时间加 1，直到等于 TBPRD 的值为止，然后开始减计数，直到等于 0，然后重复上述过程。可见，在 DSP 程序内部，时间基准计数寄存器的值始终为正值和 0，即三角载波无负值，但调制正弦波对称于原点，即有正有负，为使调制波与三角载波能进行有效比较，必须将调制波加上 TBPRD/2，转换为非负值。

...........

总结 

本文根据某型号装甲装备供电系统的参数和性能指标，设计了一台同性能指标的静止式逆变电源，拟用市电代替车载电源作无机动训练，达到节约能源和延长发动机寿命的目的。研究以负载为中频三相四线制的不平衡负载为起点，秉承模块化设计思路，选用组合式三相逆变拓扑结构和带有效值反馈的双闭环 PI 控制策略，运用单极倍频 SPWM 控制和交点式不对称 SPWM 采样算法进行设计，以 TI 公司 TMS320F28069为主控芯片，设计了主电路、控制电路、采样电路、保护电路、辅助电源电路和相应的控制程序，最后通过硬件实验对设计进行了验证。 本文主要完成了以下工作： 
（1）分析了常用的几种三相四线制逆变拓扑结构，通过功耗、控制、可靠性分析，选出了最适合拓扑结构——组合式三相逆变拓扑。在其等效电路图的基础上，导出了组合式三相逆变拓扑的状态方程，推导出组合三相逆变拓扑相与相之间相互独立的特性。 
（2）基于双闭环 PI 控制策略，本文对电流内环的选择进行了深入研究，通过传递函数、幅频和仿真分别对电感电流和电容电流作为电流内环的情况进行对比分析，结果表明，电容电流反馈效果优于电感电流。最后针对双闭环控制的不足，引入了带有效值环的双闭环 PI 控制策略。 
（3）本文搭建了一个组合式三相中频逆变实验平台，并通过实验对波形和数据进行了分析，达到了设计要求。 
.........
参考文献(略)

本文编号：246636