基于DSP的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于DSP的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:介紹了一種由DSP控制的三相PWM整流器的新型間接電流控制系統(tǒng)，提出了新型相位幅值控制方法,以滯后角匕作為輸入變量。采用TMS320F240為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)控制算法和空間矢量的數(shù)字算法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以按照給定調(diào)節(jié)輸出直流電壓并且能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)。關(guān)鍵詞:整流器;脈寬調(diào)制/數(shù)字信號(hào)處理器湘位幅值控制中圖分類(lèi)號(hào):TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)1000-100X(200206-0045-03ControlSystemDesignofiheTluee2phaseVoltage2fedRectifierBasedonDSPZHANGCh

2、uii2jiangL2,WANGYingl.ZHAOQuig21inLLIUYaii2mml(l.YanshanUniversity,QuiHuaiigdaoO66004.China.2.HaibinInsutineofTecluuology,Harbin150006ChinaAbstiactiTliispaperpresentsanewideaofindifectcmrentcontiolsystemofthree2phasePWMfectifieibasedonDSP.Anewphase2amplirudecoiuloImethodisproposed.Thelaganglersregar

3、dedastheinputvaiiable.ThecontrolalgonthinandthedigitalalgoiitlimofthespacevectorcontrolaiemipleineiiTedwitliTMS32OF240chip.ExpeiiineiKsshowthatthesystemrealizestheunitypowerfactoiandregulatesoutputDCvoltageaccordingiodievoltagereference.Keywords:iectifier;PWM;DSP.pliase2aiiplirudecontrol三相整流器在中等功率及大

4、功率電能變換中應(yīng)用很廣，通常作為逆變電路或是大型uPS電源的前級(jí)直流電源。根據(jù)控制策略的不同，三相電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng)可由模擬電路或單片機(jī)擴(kuò)展外圍設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)較單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度要快.但隨環(huán)境和溫度的變化，系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，且系統(tǒng)可能發(fā)生的故障點(diǎn)較多，維護(hù)相對(duì)困難。相對(duì)而言，單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，但由于單片機(jī)的固有特性，對(duì)于這樣一個(gè)多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，它的運(yùn)算能力和運(yùn)算速度難以滿足要求，影響系統(tǒng)的性能。文中提出一種采用DSP控制的三相整流器的新型間接電流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以整流器前端電壓與電源電壓滯后角自作為輸入變量，采用TMS320F240為核心控制芯片,實(shí)現(xiàn)

5、以空間矢量控制的數(shù)字算法和快速、實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。2控制系統(tǒng)原理分析三相電壓型PWM整流器控制有直接電流控制L2和間接電流控制兩種。在直接電流控制中收稿日期2001-11-27定稿日期2002-03-27作者簡(jiǎn)介:張純江(1961-,男，秦皇島市人，教授,研究方向?yàn)楦哳l功率變換及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、大功率牽引傳動(dòng)。直接檢測(cè)交流側(cè)電流信號(hào)加以控制，系統(tǒng)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但檢測(cè)量過(guò)多，控制復(fù)雜。間接電流控制又稱(chēng)相位幅值控制具有檢測(cè)量少、控制簡(jiǎn)單、概念清晰的特點(diǎn)，可得到最優(yōu)的性能價(jià)格比。圖1為典型的三相電壓型整流器的主電路拓?fù)?，圖2為三相PWM整流器的單相(A相等效電

6、路和電壓相量圖。Ea為輸入電源電壓幅值、Upa為橋臂中點(diǎn)電位即整流器前端電壓的基波幅值、UL(UL=coIL為升壓電感兩端電壓有效值(在等效電路中忽略了電感電阻,1為輸入電流幅值&為upa滯后于Ea的電角度,為功率因數(shù)角.三相電壓型整流器主電路拓?fù)鋱D2單相等效電路及相量圖若要求功率因數(shù)為1,根據(jù)圖2b,Upa的大小應(yīng)滿足下式:54Upa=Eacos8假設(shè)輸出電容有一個(gè)中心抽頭，則圖1整流器輸入側(cè)a點(diǎn)對(duì)此中心抽頭間的電壓波形與開(kāi)關(guān)元件的觸發(fā)波形一致，即整流器前端電壓波形與開(kāi)關(guān)元件PWM波形的相位及各脈沖間距均相同。因此、通過(guò)改變開(kāi)關(guān)元件觸發(fā)信號(hào)的相位及調(diào)制比MI就可以調(diào)整Upa的相位和幅

7、值，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為10文中PWM信號(hào)采用空間矢量調(diào)制方式。在傳統(tǒng)的相位幅值控制方式中、在功率因數(shù)為1時(shí)忑和Upa的算法完全根據(jù)相量圖并依賴(lài)于主電路參數(shù),如下式3Upa=(IcoL2+(Ea2(2=arctanILUpa(3式(2和式(3的運(yùn)算量較大并且與主電路參數(shù)相關(guān)聯(lián)，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)存在受主電路參數(shù)影響的局限性。所提出的新型相位幅值控制是將PI調(diào)節(jié)器輸出作為滯后角。的給定，而自角作為被控對(duì)象的輸入變量并依據(jù)能量守恒原則和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)關(guān)系以及相量關(guān)系確定控制算法，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這種控制策略是將誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出作為滯后角。其靜態(tài)關(guān)系如下：9

8、kp（Uref-Ude（4控制過(guò)程:當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)使Ude上升即誤差e下降時(shí)，由式（4得出自減小，從圖2b可知，輸入電流I隨之減小。根據(jù)能量守恒原則（忽略其它損耗有：32EaI=Udc2Rf，因此Ude將減小，即Ude負(fù)載擾動(dòng)調(diào)節(jié)成功。同理可知,當(dāng)負(fù)載電壓Ude下降時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類(lèi)似。將PI調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換成角度（即4角,并按式（1計(jì)算出整流器前端電壓幅值Upa即可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。PWM整流器的另一個(gè)主要方面就是PWM調(diào)制，在本系統(tǒng)中采用空間矢量脈寬調(diào)制即SVPWM，這是一種考慮綜合效果最優(yōu)的PWM方式,特別適合于數(shù)字控制。各空間矢量在逼近給定矢量過(guò)程中所需時(shí)間計(jì)算公式如下4:T1=MrTssin

9、（兀3-0T2=MrTssin6T0=Ts-(T1+T2(5式中Mi調(diào)制比Mi=3UpaUde（6根據(jù)上述分析，依據(jù)式（1、（4、（5、（6便可以計(jì)算出所需要的SVPWM數(shù)據(jù),從而通過(guò)下述控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)出PWM波形。3控制系統(tǒng)硬件分析系統(tǒng)核心控制芯片為:TI公司生產(chǎn)的TMS320F240DSP芯片5。采用該芯片的控制系統(tǒng)與相同的單片機(jī)（以C51為例控制系統(tǒng)比較,有以下優(yōu)點(diǎn)：（1指令周期DSP為50ns、C51為1四；（2DSP采用并行處理技術(shù)解決了傳統(tǒng)單片機(jī)執(zhí)行速度瓶頸；（3DSP采用外部設(shè)備集成技術(shù)，集成常用的外圍設(shè)備如:ADC轉(zhuǎn)換、串行通訊、9路PWM發(fā)波口、以及輸入輸出口等等。由一片DS

10、P構(gòu)成的控制系統(tǒng)通常只用很少的外圍設(shè)備就可以構(gòu)成。文中控制系統(tǒng)硬件分析如下:由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及控制策略可知.系統(tǒng)需要檢測(cè):輸入電壓峰值與過(guò)零點(diǎn);輸出電壓大小;參考給定電壓。根據(jù)系統(tǒng)控制要求,DSP的ADCIN2、ADCIN3口分別作為檢測(cè)輸出電壓和給定輸出電壓。由CAPTURE1來(lái)檢測(cè)輸入電源電壓過(guò)零點(diǎn),PI調(diào)節(jié)器由模擬電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件電路框圖如圖4所示。圖4控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序的作用是:初始化,開(kāi)中斷，在等待中斷64發(fā)生的空閑采集輸入信號(hào)，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位為1。期間為保證程序正常運(yùn)行要禁止看門(mén)狗CAPTURE 中斷主程序開(kāi)始:關(guān)中斷，定義變款,槽,系就初始化,各寄存H

11、賊初值保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)啟CAPTURE中廝設(shè)置CAP標(biāo)志位設(shè)置空間矢汽初值,計(jì)算延時(shí)時(shí)間親而門(mén)狗ADC結(jié)果賦新值,設(shè)置ADC標(biāo)志位或時(shí)子程序N恢復(fù)空間矢盤(pán)的初始設(shè)置恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)C返回）圖5系統(tǒng)主程序流程圖圖 6 CAPTURECAPTURE中斷的作用是:由CAPTURE1口檢測(cè)輸入電壓過(guò)零時(shí)刻主程序O設(shè)置其為上升沿觸發(fā)CAPTURE#?保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置CAP標(biāo)志位設(shè)置空間矢量初值,計(jì)算延時(shí)時(shí)間F240中的INT2中斷。在主程序關(guān)中斷,定義變量.中圻,系統(tǒng)初始化,各寄存器賦初值CAPTURE中斷/1、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)itCAP標(biāo)志位|開(kāi)啟CAPTURE中斷1主程序開(kāi)始禁止門(mén)狗I設(shè)置空間區(qū)血值.計(jì)算延時(shí)時(shí)間CAPTU

12、RE中斷執(zhí)行中判斷ADC結(jié)束標(biāo)志位是否設(shè)置然后決定是否賦初值,最后，開(kāi)PWM中斷。在執(zhí)行PWM中斷時(shí)判斷扇區(qū)，計(jì)算Tl、T2決定開(kāi)關(guān)順序。PWM中斷的作用是:由系統(tǒng)得出的誤差信號(hào)來(lái)計(jì)算空間矢量的各個(gè)脈沖的寬度。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)參數(shù):電源電壓為220V,輸入電感為7mH,主開(kāi)關(guān)器件采用GTO(600A/1300V0圖7為DSP發(fā)出的三相空間矢量PWM波形。圖7DSP發(fā)出的三相空間矢量波形在本系統(tǒng)中采用了最小開(kāi)關(guān)損耗方式，由圖7可以看到,在一個(gè)工頻周期內(nèi)有1/3時(shí)間沒(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作,從這個(gè)意義上講,可以減小1/3的開(kāi)關(guān)損耗。圖8為電源電壓和電流波形，可以看到,電流基本為正弦波并且與電壓保持同相位,實(shí)現(xiàn)了

13、單位功率因數(shù)，用電力諧波分析儀F41B測(cè)得的電流總畸變率THD為5.8%。圖8輸入電源電壓和電流波形6結(jié)論以TMS320F240為核心構(gòu)成的三相PWM整流器控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了DSP功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。提出了新型相位幅值控制策略，此控制方法比傳統(tǒng)相位幅值控制算法簡(jiǎn)單并且與主電路參數(shù)無(wú)關(guān)，更具實(shí)用性,結(jié)合空間矢量脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和單位功率因數(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1DawandeMS,etal.Tluee2phaseSwitchModeRectifierwithHysteiesisCunentContiolJ.EEETians.onPE,1996,11(3:446-471.2WuRS,etal.APWMAC2DCConveiteiwithFixedSwitchingFrequencyJ.IEEETians.onInd.1990,26(5:880-885.3DixonWJ,etal.IiidiiectCunentControlofanUnityPowerFactorSinusoidalCuneiitBoostTypeThree2phaseRectifierJ.IEEETians.onInd.1988,35(4:508514.4V