Linear robust control of DC/DC converters: Part II – Random switching

In this paper, a design procedure for a random switching control in the closed loop is proposed, according to the criteria of robust performance and robust stability, by synthesizing dynamic control of linear robust theory and the random switching approach to EMI reduction. Different techniques of random control are investigated in order to reduce EMI problems in switching power-supply DC/DC devices. Narrow-band power around the switching frequency of the output voltage noise is proposed as a criterion for the quantification of EMI reduction using random control, as opposed to deterministic switching. Robust controllers are designed and applied in the closed loop. The optimal controller and the optimal random modulation are found. EMI reduction and dynamic properties of the control are verified using a nonlinear model of the buck DC/DC converter, which includes random switching effects.     

电能变换领域中随机脉宽调制技术研究概况及展望

相较于传统的脉宽调制技术,随机脉宽调制具备有效的谐波频谱分散能力,从而实现机电负载噪声的削弱。随机脉宽调制技术包括起步的随机开关调制、后续的随机脉冲位置与随机开关频率等3个基本方法。随着电力电子技术的整体发展,随机脉宽调制已从传统的载波调制逐渐拓展到空间矢量调制之中,应用范围日趋广泛,谐波频谱分散与功率谱峰值抑制的效果不断提升。同时,新的优化方案不断被提出,对谐波频谱及功率谱的分散效果亦在不断提高。梳理了随机脉宽调制的研究历程,总结了数种典型的随机脉宽调制的基本原理,并对未来随机脉宽调制的研究方向作出展望,为随机脉宽调制技术的深入研究提供参考。     

RPWM抑制无刷直流伺服系统传导EMI研究

大功率无刷直流电机伺服系统(Brushless DC Motor Servo System,简称BLDCMSS)在航空和军事领域的应用中,面临着因斩波控制产生的传导和辐射严重而带来幅值大,频带宽的电磁干扰(EMI)问题.为了减小系统的EMI,研究了一种在特殊场合下工作,并基于DSP的10kW/270V BLDCMSS用的随机载波频率调制(RCFM)方法,即RPWM技术,分析了RPWM替代PWM后,伺服系统的传导EMI水平变化.在具体分析了基于DSP伺服系统特性的基础上,提出了3种易于实现伺服系统数字控制的RPWM方法.实验测试结果表明,RPWM能使传导EMI的幅值最大降低10dB,从而使伺服系统符合电磁兼容标准CE102.     

PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型

以典型的PWM变频驱动电机系统为对象,研究了干扰通道寄生参数和高频干扰源的建模方法。分别提出了变频器电路寄生参数的理论计算方法和电动机高频模型的实验提取方法,建立了系统级差模干扰和共模干扰的高频电路模型,提出了考虑PWM上升时间的高频干扰源建模方法,并对变频驱动装置在电网侧和负载电机侧的传导干扰进行了计算,以一台工业产品驱动装置为对象进行了实验验证,测试结果与计算结果的对比证明了该文方法的正确性。     

概率密度函数对RPWM逆变器的影响

PWM逆变器工作于人耳可听频率范围时会产生环境污染--声学噪声.随机PWM技术是降低声学噪声的经济、有效方法.随机开关频率PWM技术是噪声抑制效果最好的一种随机PWM方法,而有限个开关频率点的PWM技术是易于实现的,并且可用于闭环控制.基于此,首先讨论了如何对有限个频率点进行优化设计;其次,对有限个频率点的不同概率密度函数(Probability Desity Function,简称PDF)对逆变器输出电压和噪声的影响进行了对比分析.     

单相逆变器随机PWM选择性消谐滞环随机扩频方法

在随机脉冲宽度调制(RPWM)中,要求逆变器的瞬时开关频率分布在较宽的频率范围内,以获得较好的随机性.然而,当开关频率持续偏高时,逆变器的开关损耗将会增加;当开关频率持续较低时,会引起输出电流纹波的增加.现有的RPWM选择性谐波消除方法在随机扩频的过程中不能有效地控制逆变器的开关频率.该文提出一种单相逆变器RPWM选择性消谐滞环随机扩频方法.根据RPWM策略中有效随机数k与开关频率的关系,合理选择随机数k,既可以保证逆变器瞬时开关频率在较宽的范围内随机分布,又可以将平均开关频率控制在预先设定的频率范围内.在RPWM选择性消谐过程中,当开关频率较低而引起电流纹波增加时,该方法可以通过提高平均开关频率来减小纹波.     

带有屏蔽线缆的电动车辆动力系统共模模型与预测

以典型的PWM变频驱动电机系统为对象,研究了干扰通道寄生参数和高频干扰源的建模方法,同时在动力系统建模中分析了动力线缆屏蔽所起到抑制共模辐射的因素并建模。分别提出且建立了带有动力系统屏蔽线缆的系统级共模干扰的高频电路模型,并对变频驱动装置在电网侧和负载电机侧的传导干扰进行了计算,以一台工业产品驱动装置为对象进行了实验验证,测试结果与计算结果的对比证明了该文方法的正确性。     

电机驱动用新型谐振直流环节电压源逆变器

为了实现电机控制系统的高功率密度和高性能运行,必须提高逆变器的工作频率以提高功率变换器的效率和增强性能。然而,较高的工作频率会引起严重的电磁干扰和开关损耗从而导致系统整体效率降低。软开关技术被认为是解决上述问题的有效方法,结合软开关技术的优点和脉宽调制(pulse width modulation, PWM)控制的特点,提出了一种新的用于电机驱动系统的谐振直流环节软开关电压源逆变器,通过在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐振单元,实现了逆变桥开关器件的PWM软开关动作,同时,辅助谐振单元的开关也为软开关操作。文中阐述了该软开关逆变器拓扑的动作时序和动作模式,并对软开关动作时序的瞬态过渡过程进行了数学分析。对提出的新型软开关逆变器驱动无刷直流电机进行了仿真和实验研究,结果验证了电路结构和理论分析的正确性与可行性。     

随机频率PWM逆变器的分析设计

应用随机PWM方法可以使逆变器的输出电压频谱呈连续分布而不影响基波分量,这样由逆变器供电的电动机的声学噪声和机械振动就会大大减小。然而,由于RPWM机理的分析和设计对于一般工程师来讲是比较繁琐的,这就限制了RPWM的应用。本文提出了一种用于驱动感应电机的随机频率PWM逆变器,并给出了可实现的设计程序。首先,直观分析了随机信号对逆变器输出电压频谱的影响,其次,进行了相关的量化设计,最后,采用SIMULINK仿真和实验的手段对整个系统进行了分析。仿真和实验结果表明本文提出的RFPWM设计方案中,逆变器输出电压的频谱是均匀随机分布的,而且声学噪声和机械振动都得到有效抑制。     

Random pulse width modulation techniques for converter-fed drivesystems-a review

Random pulse width modulation (RPWM) techniques for voltage-controlled power electronic converters have been attracting an increasing interest due to the unique effects of these techniques on the converter-supplied drive systems. A number of RPWM strategies have been reported and a beneficial impact on the acoustic noise and vibration has been unanimously agreed upon. The paper presents a synthetic review of the state of the art in the RPWM theory and practice. Topics covered include principles of RPWM, means of randomization, review of the existing RPWM techniques, power spectra, implementation issues, and documented effects of RPWM on electric drive systems     

基于多电平随机脉宽调制技术的共模电压和谐波抑制方法

在PWM电机驱动系统中,多电平逆变技术可以降低系统中的共模电压和谐波含量,但是由于开关频率是固定的,在开关频率处的谐波仍很大。随机开关频率空间矢量调制技术可以通过对零矢量的控制,实现对共模电压的抑制,并且开关频率的随机化,使得开关频率处的幅值较大的谐波分散为一定带宽的幅值较小的谐波,降低了谐波的幅值。给出了混合型七电平逆变器的拓扑结构及控制方法,将高压单元的低频输出和低压单元的高频输出进行叠加,实现七电平的电压输出。分析了不同的开关状态对共模电压的影响,提出了用于共模电压抑制的矢量选择方法和用于降低谐波的开关频率随机化方法,仿真和实验结果显示,多电平逆变技术和随机脉宽调制技术的结合使用,大大降低了系统的共模电压和开关频率处的谐波分量。     

Spectrum of a frequency modulated pulse width modulation signal

In power electronics, the switching elements are controlled by pulse width modulated (PWM) signals making their currents on and off repeatedly. This might cause electromagnetic interference (EMI) problems especially in switched mode power supplies. One method for mitigating the EMI is to use the frequency modulation technique in the control signal of the switching metal–oxide–semiconductor field‐effect transistor. According to this approach, frequency of the PWM signal is modulated in order to spread its spectrum and hence reduce the EMI levels. This paper presents the theoretical analysis for the spectrum of a frequency modulated PWM signal. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于多涡卷混沌吸引子的电力电子变换器混沌PWM控制研究

基于多涡卷混沌吸引子,提出了一种新型混沌PWM控制方法抑制电力电子变换器电磁干扰。该方法将多涡卷混沌吸引子与传统混沌PWM控制结合,应用于电力电子变换器的控制中,实现从电磁干扰源头上抑制传导电磁干扰。对比传统混沌PWM控制,该方法能够在降低开关频率及其倍数次谐波峰值的同时,减少开关频率及其倍数次附近次谐波的生成,具有更好的EMI抑制效果。     

低干扰低损耗新型MOSFET三阶驱动电路

由于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)存在开关速度快、驱动容易等特点，故在变流电路中大量使用，但由此而产生的电磁干扰也越来越严重。驱动电路作为功率单元与控制电路的接口，其性能对电磁干扰的影响十分重要。该文在对MOSFET开关暂态过程进行详细地分析后，提出一种新的驱动电路，该驱动电路在不影响开关速度的情况下可以减小电磁干扰及开关损耗，而且该驱动电路与传统驱动电路相比仅需增加几个额外的低压器件，易于实现。文中最后给出了三阶驱动电路与其它几种不同驱动电路开通与关断时的电压电流波形及相应的传导发射。实验结果表明该驱动电路电磁干扰小，功率损耗低，开关速度快，无电压及电流的过冲现象，实现了驱动电路的优化。     

随机零矢量调制技术中的电流采样方法的研究

随机脉宽调制是解决交流调速系统中声学噪声的直接有效方法。随机零矢量分布是一种很好的随机方法,但其不对称的开关函数使其不适用于传统的电流采样方法。通过仿真表明PWM周期中点采样的方法无法得到准确的平均值,在分析不对称模式引起的纹波电流对电流平均值影响的基础上,提出了一种适合于RZV分布的电流采样方法。仿真结果证实该方法简单可行。     

A High-Performance Pulsewidth Modulator for an Inverter-Fed Drive System Using a Microcomputer

An Intel 8086 microcomputer-based pulsewidth modulator (PWM) is described which receives digital voltage and frequency commands independently at the input, generates precision three- phase PWM waves at the output, and can be used to drive a transistor or thyristor inverter for ac drive systems. A computation intensive uniform sampling technique is used in the low-frequency region, whereas the higher frequency region is based on word recognition and pattern retrieval method. A laboratory breadboard of the modulator has been built and tested for the frequency range 0-250 Hz with resolution of 0.0077 Hz and smooth voltage variation up to square wave within a one-percent step in the whole range. The modulator has been extensively tested with a transistor inverter and hybrid computer simulated induction motor drive system and shows performance improvement over the currently available techniques.     

改进的有源电力滤波器滞环电流控制策略

针对滞环电流控制开关频率不固定、频率范围大从而产生较大损耗的问题,以提高控制精度、减少开关损耗为目标,提出一种有源电力滤波器随机变环宽滞环电流跟踪控制方法。该方法针对电力系统负荷的特点,产生预置变环宽函数,能够较合理地给出滞环宽度,并引入随机函数,将开关频率范围拉宽,使电流频谱分布范围更宽,从而降低谐波畸变率,减少开关损耗。仿真及实验结果均证明了其可行性,可在保持总控制精度的同时有效降低总开关损耗,同时具有良好的补偿性能。     

A zero-current-switching based three-phase pulse width modulation inverter

With the remarkable progress of switching devices, the switching frequency of a voltage-source PWM inverter has become higher and higher. A high-frequency PWM inverter gives great benefits in the reduction of current ripples and acoustic noises. However, high-frequency hard switching causes the increase of switching losses and EMI to be solved. The authors propose a zero-current-switching based three-phase PWM inverter which has small resonant circuits on the ac side. The current flowing in a switching device is a sum of the resonant current and the load current. Since the switching device is turned on and off at zero current, the switching losses and electromagnetic noises are greatly reduced. This paper described the principle of the zero current switching operation, the design of the resonant circuits and the control scheme for the new soft switching inverter. Moreover, it shows interesting experimental results obtained by the zero-current-switching PWM inverter which drives an induction motor of 2.2 kW.     

一种新型无刷直流电机谐振极软开关逆变器

永磁无刷直流电机具有高功率密度、高转矩/电流比和控制简单等优势,得到了广泛应用。然而,无刷直流电机通常采用硬开关逆变器驱动,硬开关逆变器的系统效率较低,散热器的体积和重量较大,限制了大功率无刷直流电机驱动系统功率密度和性能的进一步提升。针对硬开关逆变器问题,提出了一种无刷直流电机专用的谐振极软开关电压源逆变器。通过在传统硬开关逆变器的三相输出端添加辅助谐振网络,实现了逆变桥主开关器件的零电压(ZVS)开关动作,辅助双向开关在零电流开关(ZCS)条件开通和关断。针对新型软开关逆变器,提出了一种新的脉宽调制(PWM)控制策略——TPWM TON,逆变桥上下侧开关器件轮流进行PWM调制,保持了直流母线中点电位的平衡,且使主开关和辅助开关的开关频率降到PWM调制频率的一半。对提出的软开关逆变器进行了实验研究,实验结果验证了电路结构、理论分析和控制策略的正确性与可行性。     

新型无刷直流电动机专用谐振极逆变器研究

无刷直流电动机通常采用硬开关逆变器驱动.硬开关逆变器的系统效率较低,散热器的体积和重量较大,限制了无刷直流电动机驱动系统功率密度和性能的进一步提升.针对硬开关逆变器问题,提出了一种无刷直流电动机驱动系统专用的谐振极软开关电压源逆变器.通过在传统硬开关逆变器三个输出端和直流母线之间添加辅助谐振单元,实现了逆变桥主开关器件的PWM软开关动作.谐振控制开关零电流开关条件开通,零电压开关条件关断.对提出的新型谐振极逆变器进行了数学分析和仿真研究;仿真结果验证了电路结构和理论分析的正确性与可行性.