基于DSP的三相PWM整流PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

楊俊蓮

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110161）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在減少電網(wǎng)諧波污染及無(wú)功補(bǔ)償方面有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的PWM整流技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)接近正弦電流輸入、單位功率因數(shù)、能量四象限運(yùn)行（雙向流動(dòng)）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)［1］。電壓定向的PWM整流器技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，這種整流器需要控制整流器的輸出電壓及輸入電流兩個(gè)變量。因此，如何合理的設(shè)計(jì)控制兩個(gè)變量的調(diào)節(jié)器參數(shù)以保證在電源電壓波動(dòng)范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)良好的控制性能很重要。

本文首先分析了PWM整流器工作原理，討論了整流器a－b－c和d－q數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立前饋解耦控制系統(tǒng)框圖，并且從系統(tǒng)可行性角度提出電流環(huán)和電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法，最后給出整流器的simulink仿真結(jié)果。

1 PWM整流器工作電路結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

三相PWM整流器主電路如圖（1）所示，電源電壓用ea，eb，ec表示，經(jīng)過(guò)整流器整流的輸出電壓使用ua，ub，uc表示，負(fù)載電流使用iload表示，則可以得到a－b－c數(shù)學(xué)模型為：

圖1 PWM整流器工作電路結(jié)構(gòu)

直接對(duì)三相交流信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制不僅難度較大而且精度也不高，因此使用矢量分解法得出d－q坐標(biāo)系下PWM整流器數(shù)學(xué)模型：

式中，ω為旋轉(zhuǎn)角速度。從公式（2）可以看出，d－q軸變量存在相互耦合項(xiàng)，不僅導(dǎo)致無(wú)法對(duì)電壓進(jìn)行單獨(dú)控制，而且增加了設(shè)計(jì)控制器的難度。為此，需要采用前饋解耦控制的方式對(duì)ud、uq進(jìn)行前饋補(bǔ)償，控制框圖如圖2所示。

圖2 前饋解耦控制框圖

2 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

2.1 電流調(diào)節(jié)器

電流環(huán)是三相PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的內(nèi)環(huán)，主要作用是接收電壓外環(huán)輸出的電流指令后進(jìn)行電流控制。抗干擾性是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)［2］，因此選用抗干擾性能較好的典型II型控制系統(tǒng)。另外，從圖（2）可以看出，兩個(gè)電流PI調(diào)節(jié)器功能及參數(shù)相同，因此，以iq電流控制為例進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)

其中，參數(shù)K表示調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，參數(shù)Ts表示PWM開(kāi)關(guān)周期1/2，由此可以推導(dǎo)出電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)［3］：

下面需要確定中頻寬h的取值，h越小系統(tǒng)的抗干擾性能就越好，但h過(guò)小系統(tǒng)的跟隨性就會(huì)變差。因此，綜合考慮系統(tǒng)跟隨性和抗干擾性能取h＝5。根據(jù)Mr最小準(zhǔn)則確定典型II型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有h＝，則有

由上式得到：

在上式中，根據(jù)已知參數(shù)Ts，K，可求出PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。

2.2 電壓PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

三相PWM整流器外環(huán)控制為電壓環(huán)，電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定直流輸出電壓并升壓使其高于輸入電壓的峰值［4］，其控制框圖圖4所示。

圖4 電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)

式中，電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)G1（S）可近似為一階慣性環(huán)節(jié)；整流器的輸出傳遞函數(shù)為G2（S），其中：

上式中Em和Im為輸入電壓和輸入電流的幅值。通常情況下，Tz?Tp［5］，則有

由此可以得到電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)為：

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為：

則電壓外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式有［6］：

PI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定值ε＝0.707［7］，從而可以得到電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。

3 仿真分析

在 MATLAB/SINMULINK 環(huán)境下對(duì)三相PWM整流器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

圖5 A相輸入電壓和輸入電流波形

圖6 輸出電壓波形

仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如下，三相輸入相電壓110 V，直流輸 出310 V，輸入電感為6.5 mH，直流濾波 電容2 200μF。圖5為A相輸入電壓和輸入電流波形，可以看到輸入電流為相位跟隨電壓的正弦波。圖6為輸出電壓波形，可以看出直流輸出電壓比較穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是新一代運(yùn)算控制芯片，具有運(yùn)算控制能力強(qiáng)，成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可完成故障診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等提高系統(tǒng)智能化的功能。本設(shè)計(jì)方案中采用TI公司的TMS320F240型DSP作為系統(tǒng)主電路，系統(tǒng)底層控制軟件使用DSP匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在控制軟件中需要實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量PWM控制、電流電壓采樣、過(guò)零檢測(cè)、電壓和電流雙閉環(huán)的PI控制等功能。

圖7 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)輸入電流ia，ib通過(guò)電流傳感器進(jìn)入系統(tǒng)采樣電路，該采樣電路將電流轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓信號(hào)并輸入至DSP的A/D端口，同步檢測(cè)電路利用內(nèi)部的電壓傳感器及電壓轉(zhuǎn)換電路輸出脈沖信號(hào)至DSP的CAP（捕獲單元），通過(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)的上升沿及兩個(gè)上升沿的間隔時(shí)間就可以獲得相位同步信號(hào)及電網(wǎng)頻率；系統(tǒng)輸出直流電壓通過(guò)直流電壓檢測(cè)電路信息送入DSP的A/D端口；DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離后作為IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路；IPM所有的故障輸出通道通過(guò)一個(gè)與門(mén)后，送入DSP的外部輸入可屏蔽中斷，起到保護(hù)智能功率模塊IPM的作用。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析三相PWM整流器a－b－c及d－q數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于DSP的PWM控制系統(tǒng)，分別根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)了PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。最后的方針結(jié)果表明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)異，從而驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性和正確性。

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