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動系統已應用于大量工業場合，而驅動系統驅動的對象大都為感性負載。由于負載特點，驅動系統的用電必是脈沖電流形式，如此一來將會給電網帶來較大的污染;另一方面驅動系統的大部分負載為電動機，當電動機處于發電狀態時，電能又被回傳到驅動系統的電源部分。針對這個問題，傳統解決方法是通過電阻耗能，但這種方法勢必導致能源的大量浪費。如果在變頻驅動系統的整流器中采用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頻率有關的高次諧波，這些高次諧波次數高，容易濾除，同時也使功率因數接近1，減少了對電網的公害。

1 三相PWM整流器系統模型及工作原理

1.1 控制模型

根據基爾霍夫電壓定律，以電感電流為狀態量羅列數學方程

在三相靜止坐標系下，三相電壓和三相電流全存在耦合。通過坐標變換可以簡化系統模型，將三相靜止坐標系abc變換到兩相旋轉d－q坐標系，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采用電壓控制外環和電流控制內環的雙閉環控制方法。電壓外環的作用是維持直流母線電壓的恒定，根據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。電流內環的作用是使整流器的實際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實現單位功率因數控制。

2 軟、硬件關鍵設計技術

2.1 硬件關鍵設計技術

采用32位DSP(TMS320F2812)作為硬件平臺的核心處理元件。TMS320F2812高性能的數字信號處理器(DSP)，采用低功耗設計，系統時鐘頻率高達150 MHz。內部包含32×32位的硬件乘法器，改進的哈佛架構，獨立的程序和數據訪問總線，統一的內存尋址模式，可支持4 M×16位的存儲空間，并集成2個電動機控制專用外設(Event Managers，EVA，EVB)，以簡化控制系統的硬件結構。相比原來采用16位定點格式的系統，采用32位定點格式時，可顯著減弱或消除數字量化誤差導致的影響。在實際系統中，由于16位定點格式的量化誤差較大，易導致數值計算中的偽瞬態和振鈴現象，從而引起系統振動和噪聲。并且，隨著系統采樣頻率的提高，16位字長的限制也會導致系統過程中有關變量、系數等的分辨率降低，從而惡化系統控制性能。而采用32位定點格式時，就可顯著減弱或消除這些現象，允許采用更高的采樣頻率，從而提高系統的帶寬，以獲得更佳的系統控制性能。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、驅動電路、保護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(包括過電流保護、短路保護、超溫保護及欠壓保護等)功能。將超溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成在1個模塊之中。該硬件設計中充分應用了IPM的報警信號，將報警信號送給系統中核心芯片DSP，可以封鎖PWM控制信號，使得在正常運行過程中，即使遇到各種原因導致的短路，都可以進行實時保護，保證硬件電路不受損壞。硬件框圖如圖2所示。

2.2 軟件關鍵設計技術

PWM整流部分的軟件設計基于PWM整流器的解耦控制，包括主要以下幾個部分:坐標變換、SVPWM波形產生、A/D轉換和數字PI調節器的實現。PWM整流器的軟件設計框圖如圖3所示。三相PWM整流器采用電壓控制外環和電流控制內環組成的雙閉環控制系統。電壓外環的作用是根據直流電壓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。電流內環的作用是使整流器的實際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實現單位功率因數或功率因數可變。

3 結語

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

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.3版.北京:機械工業出版社，2003.

［2］王廣雄，何朕著，陳新海.控制系統設計［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［3］張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京:機械工業出版社，2003.