基于DSP的能量可控雙向流動PWM整流器研究

李文慶 楊立波 丁云飛 商懷昊 林 猛

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連116600)

目前交流電氣傳動變頻驅(qū)動系統(tǒng)已應(yīng)用于大量工業(yè)場合，而驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動的對象大都為感性負(fù)載。由于負(fù)載特點(diǎn)，驅(qū)動系統(tǒng)的用電必是脈沖電流形式，如此一來將會給電網(wǎng)帶來較大的污染;另一方面驅(qū)動系統(tǒng)的大部分負(fù)載為電動機(jī)，當(dāng)電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，電能又被回傳到驅(qū)動系統(tǒng)的電源部分。針對這個問題，傳統(tǒng)解決方法是通過電阻耗能，但這種方法勢必導(dǎo)致能源的大量浪費(fèi)。如果在變頻驅(qū)動系統(tǒng)的整流器中采用PWM整流器(圖1)，就可以從根本上解決以上問題，使輸入電流接近正弦波且相位可控，其輸入電流中就只含與開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波次數(shù)高，容易濾除，同時也使功率因數(shù)接近1，減少了對電網(wǎng)的公害。

1 三相PWM整流器系統(tǒng)模型及工作原理

1.1 控制模型

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，以電感電流為狀態(tài)量羅列數(shù)學(xué)方程

在三相靜止坐標(biāo)系下，三相電壓和三相電流全存在耦合。通過坐標(biāo)變換可以簡化系統(tǒng)模型，將三相靜止坐標(biāo)系abc變換到兩相旋轉(zhuǎn)d－q坐標(biāo)系，其中d軸與三相電壓合成矢量方向重合且以角速度ω逆時針同步，q軸超前d軸90°。三相VSR采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法。電壓外環(huán)的作用是維持直流母線電壓的恒定，根據(jù)直流電壓的大小決定三相PWM整流器輸出功率的大小和方向，輸出為電流的給定信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使整流器的實(shí)際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

2 軟、硬件關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 硬件關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

采用32位DSP(TMS320F2812)作為硬件平臺的核心處理元件。TMS320F2812高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)，采用低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)時鐘頻率高達(dá)150 MHz。內(nèi)部包含32×32位的硬件乘法器，改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)訪問總線，統(tǒng)一的內(nèi)存尋址模式，可支持4 M×16位的存儲空間，并集成2個電動機(jī)控制專用外設(shè)(Event Managers，EVA，EVB)，以簡化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。相比原來采用16位定點(diǎn)格式的系統(tǒng)，采用32位定點(diǎn)格式時，可顯著減弱或消除數(shù)字量化誤差導(dǎo)致的影響。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于16位定點(diǎn)格式的量化誤差較大，易導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算中的偽瞬態(tài)和振鈴現(xiàn)象，從而引起系統(tǒng)振動和噪聲。并且，隨著系統(tǒng)采樣頻率的提高，16位字長的限制也會導(dǎo)致系統(tǒng)過程中有關(guān)變量、系數(shù)等的分辨率降低，從而惡化系統(tǒng)控制性能。而采用32位定點(diǎn)格式時，就可顯著減弱或消除這些現(xiàn)象，允許采用更高的采樣頻率，從而提高系統(tǒng)的帶寬，以獲得更佳的系統(tǒng)控制性能。采用智能功率模塊IPM作為核心功率放大器件。智能功率模塊是把功率器件與起控制作用的邏輯電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和檢測電路組裝在一起，主要完成信號放大、功率放大和各種保護(hù)(包括過電流保護(hù)、短路保護(hù)、超溫保護(hù)及欠壓保護(hù)等)功能。將超溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成在1個模塊之中。該硬件設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用了IPM的報(bào)警信號，將報(bào)警信號送給系統(tǒng)中核心芯片DSP，可以封鎖PWM控制信號，使得在正常運(yùn)行過程中，即使遇到各種原因?qū)е碌亩搪?，都可以進(jìn)行實(shí)時保護(hù)，保證硬件電路不受損壞。硬件框圖如圖2所示。

2.2 軟件關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

PWM整流部分的軟件設(shè)計(jì)基于PWM整流器的解耦控制，包括主要以下幾個部分:坐標(biāo)變換、SVPWM波形產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。PWM整流器的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。三相PWM整流器采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓外環(huán)的作用是根據(jù)直流電壓Vdc的大小決定三相PWM整流器輸出功率的大小和方向以及三相電流給定信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使整流器的實(shí)際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)或功率因數(shù)可變。

3 結(jié)語

PWM整流器系統(tǒng)因其具有輸入電流正弦性好，可獲得單位功率因數(shù)，并且隨著電力諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，三相高功率因數(shù)PWM整流器的開發(fā)已成為大功率AC－DC可逆變換器的最佳選擇，也是AC－DC－AC可回饋?zhàn)冾l器的核心。本文也是為改進(jìn)己有的直流電源控制裝置和正在研制的變頻調(diào)速裝置而提出的具有前瞻性和先導(dǎo)性的作用。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］王廣雄，何朕著，陳新海.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［3］張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.