基于DSP的PWM整流器控制系統(tǒng)研究

張驍 宋義超

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

1 引言

PWM 整流器具有直流輸出電壓紋波小、輸入端電流呈正弦、單位功率因數(shù)以及能量可雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)而言可視為一個(gè)純阻性負(fù)載，極大地減少了電力電子變換裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波注入，是一種主動(dòng)的抑制諧波的方法。近幾十年來(lái)由于PWM整流器主電路并無(wú)多大突破，更多的研究集中在整流器的控制技術(shù)上，現(xiàn)在廣泛采用的是在同步坐標(biāo)系下電壓、電流的雙閉環(huán)控制策略，根據(jù)整流器的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，采用DSP芯片，利用其內(nèi)部資源和高速數(shù)據(jù)處理能力，研究了空間矢量脈寬調(diào)制的原理以及DSP實(shí)現(xiàn)算法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

2 PWM整流器控制結(jié)構(gòu)

三相電壓型PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，Ls為網(wǎng)側(cè)濾波電感，C為直流濾波電容，RL為直流負(fù)載，ura,urb,urc為整流橋三相控制電壓。

圖1 電壓型PWM整流器的主電路

采用坐標(biāo)變換，從三相坐標(biāo)系變換到兩相同步坐標(biāo)系下，得到在同步坐標(biāo)下的方程：

三相電壓型PWM整流器目前應(yīng)用最廣泛、最為實(shí)用的控制方法是在同步坐標(biāo)系下的電壓、電流雙閉環(huán)控制[1]。其控制原理為：輸出直流電壓與給定電壓值的誤差經(jīng)過(guò)電壓環(huán)的控制，輸出作為有功電流指令。三相電源電流經(jīng)同步坐標(biāo)變換，得到有功電流和無(wú)功電流，無(wú)功電流的指令值由所需的功率因數(shù)角確定，若整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)，則無(wú)功電流的指令值為零。 有功電流和無(wú)功電流實(shí)際值與其指令值經(jīng)過(guò)電流解耦控制，得到整流橋中點(diǎn)控制電壓，再經(jīng)過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的通斷。在同步坐標(biāo)系下，PWM 整流器的電壓、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示：

圖2 電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖

3 空間矢量脈寬調(diào)制的原理及其DSP實(shí)現(xiàn)

從三相電壓型PWM整流器電路分析，六個(gè)開(kāi)關(guān)管分別被 a, a’, b, b’, c, c’六個(gè)控制信號(hào)所控制，當(dāng)整流器一個(gè)橋臂上的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的另一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。每相橋臂有兩種開(kāi)關(guān)模式，即上橋臂或下橋臂導(dǎo)通，因此整流器共有8種開(kāi)關(guān)模式，用單極性二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)Sj(j=a,b,c)描述，即：

空間電壓矢量描述了三相PWM整流器整流橋交流側(cè)相電壓(ura, urb, urc)在復(fù)平面上的空間分布，由第二章所分析的，交流側(cè)電壓與開(kāi)關(guān)函數(shù)和輸出直流電壓的關(guān)系為：

由坐標(biāo)變換關(guān)系，從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系，并考慮三相電壓的平衡關(guān)系可得到：

每個(gè)空間矢量與開(kāi)關(guān)管的組合(c,b,a)相對(duì)應(yīng)，例如：當(dāng)(c,b,a)=001時(shí)，表示此時(shí)的空間矢量為U0，開(kāi)關(guān)管的組合所決定的8個(gè)基本空間矢量如圖3所示[4]：

圖3 基本空間矢量關(guān)系

圖4 坐標(biāo)變換關(guān)系

空間矢量PWM的目的是通過(guò)與基本的空間矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)組合得到一個(gè)給定的參考電壓Uout，它的 α—β 軸分量分別用urα ,urβ表示。先考慮在第一扇區(qū)的情況，圖4表示參考電壓矢量Uout對(duì)應(yīng)的urα ,urβ和基本空間矢量U0、U60的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有如下的表達(dá)式：

在圖4中，Uout用U0、U60兩個(gè)矢量來(lái)表示，有：

其中T1和T3分別是在周期時(shí)間T中基本空間矢量U0、U60各自作用的時(shí)間，T0是零矢量作用的時(shí)間。T1和T3可由下式計(jì)算：

同理，如果Uout位于被空間矢量U60、U120所包圍的扇區(qū)2中，矢量作用時(shí)間的相對(duì)值也可表示為：

其中T2是空間矢量U120在周期中的作用時(shí)間。

為此，定義如下的X,Y,Z三個(gè)變量：

當(dāng)Uou位于其他的空間矢量所包含的扇區(qū)中時(shí)，相應(yīng)的t1,t2與X,Y,Z的對(duì)應(yīng)關(guān)系為表1所示：

表1 t1,t2與X,Y,Z的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5是當(dāng)PWM控制周期為0.67 ms，正弦電壓周期為20 ms時(shí)，TMS320LF2407輸出的一路SVPWM波形。

圖5 DSP輸出的一路SVPWM波形

程序設(shè)計(jì)需要在 DSP片內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入變量的采樣、坐標(biāo)變換、電壓電流控制、空間矢量調(diào)制信號(hào)的運(yùn)算等功能，系統(tǒng)的主程序框圖如圖6所示。數(shù)據(jù)處理子程序的框圖如圖7所示

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

圖7 數(shù)據(jù)處理程序框圖

4 試驗(yàn)波結(jié)果及分析

圖8是在1.5 kW純阻性負(fù)載情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出直流電壓和a相輸入電壓、電流波形，可以看出，輸出直流電壓能很好地穩(wěn)定在300 V，輸入電流為正弦波，且與輸入電壓同相，基本上實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

圖8 PWM采用DSP控制時(shí)穩(wěn)態(tài)波形

圖9是在PWM整流器從空載突加1.5 kW純阻性負(fù)載情況下，動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出電壓和a相輸入電壓、電流的波形，輸入電流也能很快地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，負(fù)載突變反應(yīng)時(shí)間短，能很好地抗外部干擾。

圖9 PWM整流器負(fù)載突變調(diào)節(jié)時(shí)的波形

5 結(jié)論

本文介紹了PWM整流器的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，采用在dq同步坐標(biāo)系中的雙閉環(huán)控制和空間矢量脈寬調(diào)制算法，實(shí)現(xiàn)了PWM整流器的單位功率因數(shù)，輸出電壓穩(wěn)定、紋波小，在負(fù)載突變時(shí)能很快的進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定的抗干擾能力。

[1] Ye Y, Kazerani M, Quintana V H..A novel modeling and control method for three-phase PWM converters. PESC.2001 IEEE 32th Annual, 2001.

[2] 張興, 張崇巍. PWM 可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)研究. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001, 21（10）.

[3] H. W. Van Der Broeck，H.C. Skudelny，G.V. Stanke.Analysis and realization of a pulse-width modulator based on voltage sapace vector. IEEE Trans.Ind Applicat, 1988, 24(1).

[4] 劉和平. MS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.