【硕士论文】基于DSP控制的交流电子负载的研究
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Digitally controlled PWM converters have gained increasing attention because of a number of potential advantages.One of the major challenging issues in digital control is the undesired limit-cycle oscillations due to the lack of time resolution in the digital pulse-width modulator (DPWM) to satisfy specified output voltage regulation accuracy.The relationship between DPWM resolution and output voltage regulation accuracy is analyzed for several basic converters operating in continuous conduction mode (CCM).The minimum DPWM resolution required to prevent limit-cycle oscillation is derived.The conclusions are verified by simulation and experimental results based on a digitally controlled BUCK converter.
根据处理电能方式的不同，交流电子负载可分为能量消耗型和能量回馈型 两大类。本文首先针对交流电源产品的功能性测试应用场合，提出了一种新的 能量消耗型交流电子负载结构和相应的控制方法。然后重点介绍了能量回馈型 交流电子负载的工作原理及其控制策略。分析了功率电路中主要元件参数的选 取方法。其中，对工作在任意功率因数情况下的单相 PWM 整流器中交流滤波电 感的取值作了重点讨论。在 Saber 软件中建立了系统的仿真模型，设计了一台以 TMS320F2812 DSP 芯片为控制核心的能量回馈型交流电子负载原理样机，仿真 和实验结果验证了系统方案的可行性和正确性。最后针对交流电子负载的并网 能量回馈功能，初步分析了一种基于正反馈思想的并网系统孤岛检测方法，并 进行了仿真验证。
II
南京航空航天大学硕士学位论文
reliable detection system.An anti-islanding method based on positive feedback concept is discussed and validated by simulation. Keywords: AC Electronic Load, Voltage source PWM Rectifier, Burn-in test, Digital Control, Limit-Cycle Oscillation, Anti-islanding
交流电子负载属于一种测试设备，需要实现用户交互、通讯、监控等功能， 因此采用了以 DSP 芯片为核心的数字控制方案。本文首先探讨了数字控制技术 对变换器性能的பைடு நூலகம்响，重点讨论了当数字脉宽调制器精度不足时会引起输出产 生极限环振荡的问题。分析了极限环振荡产生的原因，并以 BUCK、BOOST 和 BUCK-BOOST 三种基本变换器的数字控制器设计为例，推导出了为避免极限环 振荡，数字脉宽调制器应满足的最小精度要求。在 MATLAB 中建立了数字控制 器的仿真模型，设计了一台数字控制 BUCK 变换器实验样机，仿真和实验结果 验证了理论分析的正确性。
关键词：交流电子负载，能量回馈，电压型 PWM 整流器，数字控制，极限环振 荡，孤岛检测
I
基于 DSP 控制的交流电子负载的研究
ABSTRACT
The burn-in test has been regarded as a feasible approach for quality certification of new AC Source products.A passive load bank is generally used, and significant energy is wasted.From the viewpoint of energy conservation, a load consumption-free method is need.With the development of power electronic technology, a new AC Electronic Load by replacing the consumption load bank with a pulse width modulation (PWM) converter is present.Implementing this new idea, the testing power can be sent back to the utility system for reuse, and offers more flexibility, enhanced reliability, less space and lower cost than an assortment of passive loads.The architecture of AC Electronic Load studied in this thesis consists of two power stages.The input stage where a voltage source PWM rectifier is used to imitate the required load characteristic, such as R,RL and RC load characteristic.The output stage is a PWM inverter which sends back the recycling energy to the utility.
在saber软件中建立了系统的仿真模型设计了一台以tms320f2812dsp芯片为控制核心的能量回馈型交流电子负载原理样机仿真和实验结果验证了系统方案的可行性和正确性
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
各类交流电源在产品开发过程中都需要进行长时间的带载测试，以检验其 电气性能。传统使用电阻、电感和电容这类无源元件作为负载的测试方法存在 参数调节不方便、发热量大、耗能等诸多缺点。为克服传统测试方法的不足， 本文研究了一种带能量回馈功能的交流电子负载装置，采用交直交变换结构， 由具有公共直流母线的两级电压型 PWM 整流器组成。通过控制前级 PWM 整流 器的输入功率因数，在其输入端模拟不同阻抗特性的负载；后级 PWM 整流器工 作在并网逆变状态，将被测试电源发出的电能回馈至电网进行循环利用。
A novel solution of consumptive AC Electronic Load suit for function test of AC Source products is proposed.The control strategy of the AC Electronic Load with energy recycle capability is analyzed and simulated with Saber.The design of passive components in the power stage is studied, especially the inductor in the input stage.A TMS320F2812 DSP based prototype of AC Electronic Load is designed and implemented.Simulation and experimental results confirm the validity and effectiveness of the presented solution.Since the islanding of the grid-connected systems can cause a loss of lives and damage to equipments, it has to be avoided by a
III
基于 DSP 控制的交流电子负载的研究
图目录
图 1.1 交流电子负载测试原理 .................................................................................. 2 图 1.2 文献[7]提出的 UPS 老化试验装置 ................................................................ 3 图 1.3 三级式能量回馈型交流电子负载拓扑结构 .................................................. 4 图 1.4 三级式能量回馈型交流电子负载控制原理 .................................................. 4 图 1.5 两级式能量回馈型交流电子负载结构 .......................................................... 5 图 2.1 数字控制系统中的非线性因素 .....................................................................11 图 2.2 数字 PWM 控制器结构图............................................................................. 12 图 2.3 ADC 最小精度要求与输出电压精度的关系 ................................................ 13 图 2.4 非对称数字脉宽调制原理 ............................................................................ 14 图 2.5 对称数字脉宽调制原理 ................................................................................ 15 图 2.6 数字控制 BUCK 变换器原理图 ................................................................... 16 图 2.7 极限环振荡形成原理 .................................................................................... 17 图 2.8 无极限环振荡的情况 .................................................................................... 17 图 2.9 DPWM 最小精度要求与占空比的关系（BUCK）..................................... 18 图 2.10 DPWM 的最小精度要求与占空比的关系（BOOST）............................. 19 图 2.11 DPWM 的精度要求与占空比的关系（BUCK-BOOST）......................... 19 图 2.12 DPWM 能实现的最大精度与开关频率的关系 .......................................... 20 图 2.13 数字控制 BUCK 电路的 MATLAB 仿真模型........................................... 22 图 2.14 数字控制 BUCK 输出电压仿真波形 ......................................................... 22 图 2.15 数字控制软件时序图 .................................................................................. 23 图 2.16 数字控制 BUCK 电路实验波形 ................................................................. 24 图 3.1 电压型 PWM 整流器..................................................................................... 25 图 3.2 PWM 整流器交流侧稳态矢量关系............................................................... 26 图 3.3 VSR 直流侧等效原理图................................................................................. 27 图 3.4 电阻耗能型交流电子负载拓扑 .................................................................... 28 图 3.5 电阻 R 上电压波形........................................................................................ 28 图 3.6 有功功率反馈控制原理图 ............................................................................ 29 图 3.7 直流侧电压直接反馈控制原理图 ................................................................ 30 图 3.8 能量回馈型交流电子负载拓扑结构 ............................................................ 30
根据处理电能方式的不同，交流电子负载可分为能量消耗型和能量回馈型 两大类。本文首先针对交流电源产品的功能性测试应用场合，提出了一种新的 能量消耗型交流电子负载结构和相应的控制方法。然后重点介绍了能量回馈型 交流电子负载的工作原理及其控制策略。分析了功率电路中主要元件参数的选 取方法。其中，对工作在任意功率因数情况下的单相 PWM 整流器中交流滤波电 感的取值作了重点讨论。在 Saber 软件中建立了系统的仿真模型，设计了一台以 TMS320F2812 DSP 芯片为控制核心的能量回馈型交流电子负载原理样机，仿真 和实验结果验证了系统方案的可行性和正确性。最后针对交流电子负载的并网 能量回馈功能，初步分析了一种基于正反馈思想的并网系统孤岛检测方法，并 进行了仿真验证。
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南京航空航天大学硕士学位论文
reliable detection system.An anti-islanding method based on positive feedback concept is discussed and validated by simulation. Keywords: AC Electronic Load, Voltage source PWM Rectifier, Burn-in test, Digital Control, Limit-Cycle Oscillation, Anti-islanding
交流电子负载属于一种测试设备，需要实现用户交互、通讯、监控等功能， 因此采用了以 DSP 芯片为核心的数字控制方案。本文首先探讨了数字控制技术 对变换器性能的பைடு நூலகம்响，重点讨论了当数字脉宽调制器精度不足时会引起输出产 生极限环振荡的问题。分析了极限环振荡产生的原因，并以 BUCK、BOOST 和 BUCK-BOOST 三种基本变换器的数字控制器设计为例，推导出了为避免极限环 振荡，数字脉宽调制器应满足的最小精度要求。在 MATLAB 中建立了数字控制 器的仿真模型，设计了一台数字控制 BUCK 变换器实验样机，仿真和实验结果 验证了理论分析的正确性。
关键词：交流电子负载，能量回馈，电压型 PWM 整流器，数字控制，极限环振 荡，孤岛检测
I
基于 DSP 控制的交流电子负载的研究
ABSTRACT
The burn-in test has been regarded as a feasible approach for quality certification of new AC Source products.A passive load bank is generally used, and significant energy is wasted.From the viewpoint of energy conservation, a load consumption-free method is need.With the development of power electronic technology, a new AC Electronic Load by replacing the consumption load bank with a pulse width modulation (PWM) converter is present.Implementing this new idea, the testing power can be sent back to the utility system for reuse, and offers more flexibility, enhanced reliability, less space and lower cost than an assortment of passive loads.The architecture of AC Electronic Load studied in this thesis consists of two power stages.The input stage where a voltage source PWM rectifier is used to imitate the required load characteristic, such as R,RL and RC load characteristic.The output stage is a PWM inverter which sends back the recycling energy to the utility.
在saber软件中建立了系统的仿真模型设计了一台以tms320f2812dsp芯片为控制核心的能量回馈型交流电子负载原理样机仿真和实验结果验证了系统方案的可行性和正确性
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
各类交流电源在产品开发过程中都需要进行长时间的带载测试，以检验其 电气性能。传统使用电阻、电感和电容这类无源元件作为负载的测试方法存在 参数调节不方便、发热量大、耗能等诸多缺点。为克服传统测试方法的不足， 本文研究了一种带能量回馈功能的交流电子负载装置，采用交直交变换结构， 由具有公共直流母线的两级电压型 PWM 整流器组成。通过控制前级 PWM 整流 器的输入功率因数，在其输入端模拟不同阻抗特性的负载；后级 PWM 整流器工 作在并网逆变状态，将被测试电源发出的电能回馈至电网进行循环利用。
A novel solution of consumptive AC Electronic Load suit for function test of AC Source products is proposed.The control strategy of the AC Electronic Load with energy recycle capability is analyzed and simulated with Saber.The design of passive components in the power stage is studied, especially the inductor in the input stage.A TMS320F2812 DSP based prototype of AC Electronic Load is designed and implemented.Simulation and experimental results confirm the validity and effectiveness of the presented solution.Since the islanding of the grid-connected systems can cause a loss of lives and damage to equipments, it has to be avoided by a
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基于 DSP 控制的交流电子负载的研究
图目录
图 1.1 交流电子负载测试原理 .................................................................................. 2 图 1.2 文献[7]提出的 UPS 老化试验装置 ................................................................ 3 图 1.3 三级式能量回馈型交流电子负载拓扑结构 .................................................. 4 图 1.4 三级式能量回馈型交流电子负载控制原理 .................................................. 4 图 1.5 两级式能量回馈型交流电子负载结构 .......................................................... 5 图 2.1 数字控制系统中的非线性因素 .....................................................................11 图 2.2 数字 PWM 控制器结构图............................................................................. 12 图 2.3 ADC 最小精度要求与输出电压精度的关系 ................................................ 13 图 2.4 非对称数字脉宽调制原理 ............................................................................ 14 图 2.5 对称数字脉宽调制原理 ................................................................................ 15 图 2.6 数字控制 BUCK 变换器原理图 ................................................................... 16 图 2.7 极限环振荡形成原理 .................................................................................... 17 图 2.8 无极限环振荡的情况 .................................................................................... 17 图 2.9 DPWM 最小精度要求与占空比的关系（BUCK）..................................... 18 图 2.10 DPWM 的最小精度要求与占空比的关系（BOOST）............................. 19 图 2.11 DPWM 的精度要求与占空比的关系（BUCK-BOOST）......................... 19 图 2.12 DPWM 能实现的最大精度与开关频率的关系 .......................................... 20 图 2.13 数字控制 BUCK 电路的 MATLAB 仿真模型........................................... 22 图 2.14 数字控制 BUCK 输出电压仿真波形 ......................................................... 22 图 2.15 数字控制软件时序图 .................................................................................. 23 图 2.16 数字控制 BUCK 电路实验波形 ................................................................. 24 图 3.1 电压型 PWM 整流器..................................................................................... 25 图 3.2 PWM 整流器交流侧稳态矢量关系............................................................... 26 图 3.3 VSR 直流侧等效原理图................................................................................. 27 图 3.4 电阻耗能型交流电子负载拓扑 .................................................................... 28 图 3.5 电阻 R 上电压波形........................................................................................ 28 图 3.6 有功功率反馈控制原理图 ............................................................................ 29 图 3.7 直流侧电压直接反馈控制原理图 ................................................................ 30 图 3.8 能量回馈型交流电子负载拓扑结构 ............................................................ 30