第一章  緒論 

1.1  課題研究的背景和目的 
在二十世紀(jì)初，為打破第一次世界大戰(zhàn)的僵持狀態(tài)，英國(guó)人研制了集火力、機(jī)動(dòng)和防護(hù)于一體的新式武器――坦克，從此拉開了裝甲裝備在戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛運(yùn)用的序幕，開辟了陸軍機(jī)械化的新時(shí)代。從第一次世界大戰(zhàn)中 18 輛坦克，到第二次世界大戰(zhàn)期間的 30 萬(wàn)輛坦克和自行火炮[1]，再到近代的局部戰(zhàn)爭(zhēng)大量使用坦克的戰(zhàn)例，一次次的戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)踐表明，裝甲裝備在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中仍發(fā)揮著重要作用[2]。隨著光學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電力電子和材料學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，多種電控軍械裝備應(yīng)運(yùn)而生，由于裝甲裝備超強(qiáng)的越野和防御生存能力，以及超大的載重特性，世界上的裝甲裝備設(shè)計(jì)師們充分發(fā)揮想象力，陸續(xù)將機(jī)槍、火炮、各型導(dǎo)彈、激光武器、電磁炮等新武器融合進(jìn)裝甲裝備里，形成了一個(gè)個(gè)新的戰(zhàn)車模型，如主戰(zhàn)坦克、自行防空火炮、自行榴彈炮、電磁炮等[3]。隨著電氣和電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，新的智能設(shè)備陸續(xù)運(yùn)用于系統(tǒng)中，裝甲裝備也更加自動(dòng)化和智能化[4]。在軍事裝備飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代化的裝甲部隊(duì)仍是一個(gè)國(guó)家軍事戰(zhàn)略的重要支撐力量，不斷提升裝甲裝備性能仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。 裝甲裝備的供電系統(tǒng)是整個(gè)裝甲系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)向全車上的電子設(shè)備提供高質(zhì)量的電能，保障其正常運(yùn)行[5]。目前，裝甲裝備的動(dòng)能均由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，電能則由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)式交流機(jī)轉(zhuǎn)換而來(lái)，這種能量產(chǎn)生及轉(zhuǎn)換方式簡(jiǎn)單直接、故障率低，但也存在一些不足： （1）能量浪費(fèi)大。裝甲裝備所需總能量為裝甲機(jī)動(dòng)能量與車上設(shè)備工作所需能量之和，而裝甲機(jī)動(dòng)能量所占比例較大。裝甲裝備訓(xùn)練重在武器的訓(xùn)練，70%的訓(xùn)練是在無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，但由于沒有其它供電方式，無(wú)機(jī)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)只能輕載運(yùn)行。以某型號(hào)履帶式裝甲裝備為例，該裝甲裝備的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)滿載功率為883k W，而炮塔工作所需電源由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)一臺(tái)混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)提供，功率僅為 30k W，在作無(wú)機(jī)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，造成大量能量浪費(fèi)，同時(shí)消耗了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托化小時(shí)。 （2）不隱身。在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，信息的獲取與對(duì)抗一定程度上決定了勝負(fù)的走向，因此，在探測(cè)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，隱身技術(shù)也在不斷提高。在現(xiàn)有裝甲裝備中，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高分貝的噪音和大量的紅外輻射。盡管偽裝工程師們提出了大量的紅外輻射抑制技術(shù)，但還是很容易被技術(shù)先進(jìn)的紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn)[6]。 
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1.2  中頻逆變電源的優(yōu)勢(shì) 
工頻逆變電源普遍存在體積大、重量重、成本高等缺點(diǎn)，在裝甲裝備、飛機(jī)等特殊行業(yè)無(wú)法滿足使用。相比較而言，中頻逆變電源有以下兩大優(yōu)勢(shì)： (1) 可小型化。中頻逆變電源的基波頻率是工頻電源的 8 倍，，由于輸出濾出器的截止頻率與基波頻率成比例，隨著基波頻率的提升，截止頻率也提升，則輸出濾波電感和電容的取值可以減小；而變壓器體積跟隨伏秒值變化，在高頻驅(qū)動(dòng)下，周期變小，伏秒值下降，則高頻變壓器的體積可以減小。由于輸出濾波電感、電容和變壓器的體積和重量在系統(tǒng)中所占比例較大[10]，當(dāng)它們都減小時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)變輕、變小。 正是由于具有以上特點(diǎn)，400Hz 中頻逆變電源在軍用裝備中得到廣泛應(yīng)用，成為了很多軍事裝備的標(biāo)準(zhǔn)電源配置，特別是在軍用陀螺儀中，因?yàn)橥勇莸男D(zhuǎn)速度和穩(wěn)定性直接決定著系統(tǒng)的精度，只有高精密的中頻電源才能滿足陀螺的高速旋轉(zhuǎn)的電源需求。 
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第二章   三相逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 

本文設(shè)計(jì)的靜止式逆變器因使用環(huán)境特殊，要求有較高的可靠性和良好的穩(wěn)定性，所帶負(fù)載為 400Hz 的三相四線制不平衡負(fù)載，所以，必須要選擇合適的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1  三相四線制逆變電源主電路拓?fù)?nbsp;
常見的三相逆變電路為三相三線制，但當(dāng)負(fù)載為不平衡負(fù)載或非線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載的中性點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移，輸出的相電壓和相電流會(huì)不平衡，從而可能造成某相電壓過(guò)高，從而損壞逆變器，為保證輸出的三相電壓對(duì)稱，增加一條通路提供給零序電流，由此形成了三相四線制逆變拓?fù)�。從目前技術(shù)發(fā)展來(lái)看，三相四線制拓?fù)渲饕幸韵滤姆N，分別是:  三相全橋逆變式（接△/Y 變壓器）、三相半橋分裂電容式逆變、三相四橋臂式逆變[15]和組合式三相逆變[19]。如圖 2-1 所示。三相全橋逆變拓?fù)淙鐖D 2-1(a)所示，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，前端使用 6 個(gè)功率管逆變輸出三相三線制電壓，后端接帶中線連接的變壓器使輸出端有中點(diǎn)，為零序電流提供一條通路，從而得到三相四線制的輸出電壓，提高了其帶不平衡負(fù)載的能力，但由于此變壓器工作在基波頻率，其體積和重量較大，從而增加逆變器的體積和重量。三相半橋分裂電容式拓?fù)淙鐖D 2-1(b)所示，是在三相全橋逆變的基礎(chǔ)上，在直流測(cè)串聯(lián)兩個(gè)電容，將串聯(lián)電容的中點(diǎn)作為輸出的中點(diǎn)，使中性電流的直接分量流過(guò)分壓電容，為零序電流提供一條通路，為保證中點(diǎn)電位不偏移，就必須使用大容量電容，從而增加了體積和重量。同時(shí)，可利用電壓只有直流母線電壓的一半，利用率低。目前，三相半橋分裂電容式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅使用在低壓小功率電路中。 
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2.2  四種主電路拓?fù)涞墓谋容^ 
逆變系統(tǒng)中，功率損耗是一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)，而主電路所產(chǎn)生損耗能達(dá)到系統(tǒng)損耗的 90%。為選擇最優(yōu)拓?fù)洌诩僭O(shè)其它條件均相同的情況下，對(duì)四種拓?fù)涞墓β蕮p耗進(jìn)行對(duì)比分析。由于 IGBT 模塊的生產(chǎn)廠家、模塊型號(hào)眾多，為保證對(duì)比數(shù)據(jù)計(jì)算可靠，本文選用嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 GD100HFL120C2S IGBT模塊進(jìn)行分析。 主電路的損耗主要是由 IGBT、反向并聯(lián)的二極管和模塊引線電阻損耗組成。在工作狀態(tài)下，IGBT 和反向并聯(lián)的二極管均處于關(guān)斷、導(dǎo)通的無(wú)限循環(huán)中，每一個(gè)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生損耗。為便于計(jì)算，將總損耗分為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗兩大類[20]。本章根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)載需求，將逆變器拓?fù)溥x擇為三相四線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)四種三相四線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、帶不平衡負(fù)載能力、功耗和可靠性進(jìn)行對(duì)比分析，確定了組合式三相逆變拓?fù)渥钸m合本設(shè)計(jì)要求。再通過(guò)對(duì)組合式三相逆變拓?fù)涞牡刃щ娐返姆治�，�?dǎo)出了它的狀態(tài)方程，推導(dǎo)了組合式三相逆變拓?fù)湓陟o止坐標(biāo)系下可以獨(dú)立控制，互不影響，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了這一特性，為下一章的控制策略分析打下基礎(chǔ)。 
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第三章   系統(tǒng)控制策略研究 .......... 17 
3.1  單極倍頻 SPWM 調(diào)制 .......... 17 
3.2  雙閉環(huán) PI 控制策略 .... 19 
3.2.1  電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略 ..... 20 
3.2.2  電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略 ..... 21 
3.2.3  兩種閉環(huán)控制策略的幅頻特性分析對(duì)比 ............. 21 
3.2.4  兩種閉環(huán)控制策略的仿真分析對(duì)比 ........... 25 
3.3  帶有效值反饋的雙閉環(huán)控制 .......... 31 
3.4  小結(jié) .......... 33 
第四章  系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) .......... 34 
4.1  系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ...... 34
4.2  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .... 46 
4.3  小結(jié) .......... 56 
第五章  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .......... 57 
5.1  采樣信號(hào)和 SPWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)試 .......... 57 
5.2  單相逆變系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) ...... 59 
5.3  組合式三相逆變系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) .... 60 
5.4  小結(jié) .......... 61  

第五章  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 

根據(jù)前幾章節(jié)的設(shè)計(jì)，搭建了一臺(tái)輸出功率為 30k VA 的組合式三相 400Hz 中頻逆變電源原理樣機(jī)。為保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)遵循循序漸進(jìn)，先弱電后強(qiáng)電，先開環(huán)后閉環(huán)，先小功率后大功率的原則進(jìn)行。其原理樣機(jī)的主要參數(shù)如表 5-1 所示。

5.1  采樣信號(hào)和 SPWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)試 

對(duì)反饋信號(hào)的采樣精度將直接影響調(diào)制的效果，在 4.1.4 節(jié)分析了反饋電壓、電流信號(hào)采樣電路的工作原理，在 4.2.2.3 節(jié)推導(dǎo)出了反饋電壓、電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換公式。當(dāng)輸出電壓為-311V~311V 時(shí)，DSP 的采樣信號(hào)輸入電壓對(duì)應(yīng)為 0.2V~2.8V，當(dāng)輸出電流為-60A~60A 時(shí)，DSP 的采樣信號(hào)輸入電壓對(duì)應(yīng)為 0.2V~2.8V。如圖 5-2 所示，為輸出電壓、電流的反饋信號(hào)與采樣信號(hào)圖。圖中第一路為輸出電壓電流信號(hào)，第二路為采樣信號(hào)。從 DSP 的增強(qiáng)型脈寬調(diào)制(e PWM)模塊產(chǎn)生 SPWM 波的原理可知，增減模式的三角載波形形成原理為：e PWM 的時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)寄存器 TBCTR 的計(jì)數(shù)是從 0 開始，每一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間加 1，直到等于 TBPRD 的值為止，然后開始減計(jì)數(shù)，直到等于 0，然后重復(fù)上述過(guò)程�？梢姡� DSP 程序內(nèi)部，時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)寄存器的值始終為正值和 0，即三角載波無(wú)負(fù)值，但調(diào)制正弦波對(duì)稱于原點(diǎn)，即有正有負(fù)，為使調(diào)制波與三角載波能進(jìn)行有效比較，必須將調(diào)制波加上 TBPRD/2，轉(zhuǎn)換為非負(fù)值。

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總結(jié) 

本文根據(jù)某型號(hào)裝甲裝備供電系統(tǒng)的參數(shù)和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)同性能指標(biāo)的靜止式逆變電源，擬用市電代替車載電源作無(wú)機(jī)動(dòng)訓(xùn)練，達(dá)到節(jié)約能源和延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的目的。研究以負(fù)載為中頻三相四線制的不平衡負(fù)載為起點(diǎn)，秉承模塊化設(shè)計(jì)思路，選用組合式三相逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和帶有效值反饋的雙閉環(huán) PI 控制策略，運(yùn)用單極倍頻 SPWM 控制和交點(diǎn)式不對(duì)稱 SPWM 采樣算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以 TI 公司 TMS320F28069為主控芯片，設(shè)計(jì)了主電路、控制電路、采樣電路、保護(hù)電路、輔助電源電路和相應(yīng)的控制程序，最后通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。 本文主要完成了以下工作： 
（1）分析了常用的幾種三相四線制逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)功耗、控制、可靠性分析，選出了最適合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——組合式三相逆變拓?fù)洹Ｔ谄涞刃щ娐穲D的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了組合式三相逆變拓?fù)涞臓顟B(tài)方程，推導(dǎo)出組合三相逆變拓?fù)湎嗯c相之間相互獨(dú)立的特性。 
（2）基于雙閉環(huán) PI 控制策略，本文對(duì)電流內(nèi)環(huán)的選擇進(jìn)行了深入研究，通過(guò)傳遞函數(shù)、幅頻和仿真分別對(duì)電感電流和電容電流作為電流內(nèi)環(huán)的情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，電容電流反饋效果優(yōu)于電感電流。最后針對(duì)雙閉環(huán)控制的不足，引入了帶有效值環(huán)的雙閉環(huán) PI 控制策略。 
（3）本文搭建了一個(gè)組合式三相中頻逆變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)波形和數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：246636