基于dSPACE的三相PWM整流器仿真與實驗平臺

馮興田，孫涌銘

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島 266580）

0 引言

dSPACE實時仿真系統基于Matlab／Simulink 仿真環境，包括硬件系統和軟件環境兩大部分。因其操作使用方便、系統開發簡單，在電力電子變流器的研究中應用廣泛。三相電壓型脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）整流器作為一種性能優良的電力電子變流器，能夠有效實現交流側輸入電流正弦化和直流側的電壓穩定輸出［1-4］。

基于dSPACE 實時仿真系統，搭建電壓型三相PWM整流器的仿真模型和實驗平臺，采用經典的電壓電流雙閉環控制方式，即以輸出電壓為控制變量的電壓外環和以輸入電流為控制變量的電流內環［5-8］。對于內環控制，分別采用前饋解耦控制和無差拍控制兩種不同的方式來調節輸入電流并使其正弦化。對于外環控制，統一采用傳統的PI 調節器來穩定輸出電壓。空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）［9-12］與常規正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）相比，SVPWM調制在直流側輸出電壓的利用率和開關損耗上都具有一定優勢。

PWM整流器仿真與實驗平臺由空間矢量調制、扇區選擇、時間計算、驅動脈沖、前饋解耦控制和無差拍控制多個仿真子模塊以及主電路硬件系統組成。通過設計分析這些模塊及整個系統的工作過程，讓學生通過仿真實驗分析掌握相應的理論知識，強化仿真研究能力和動手實踐能力的培養［13］。

1 三相PWM整流器仿真系統模型

如圖1 所示為三相電壓型PWM 整流器的結構原理圖。ea、eb、ec為三相交流電源；ia、ib、ic為三相輸入電流；L1、L2、L3為三相濾波電感；R1、R2、R3為輸入側等效電阻；S1～S6為全控型開關器件；C為濾波電容；RL為負載，Udc為直流母線電壓。鑒于dSPACE平臺基于Matlab／Simulink，在Simulink 環境下搭建三相電壓型PWM整流器仿真模型，主要包括主電路、采樣與控制、驅動脈沖、顯示4 個單元，如圖2 所示。設置三相電壓型PWM整流器電路仿真參數如下：三相輸入相電壓有效值220 V，電壓頻率50 Hz，直流側母線電壓600 V，交流側電感1 mH，直流側電容4 mF，開關頻率10 kHz，負載電阻10 Ω。

圖1 三相電壓型PWM整流器結構原理圖

圖2 三相電壓型PWM整流器仿真模型

2 系統仿真設計與實驗平臺分析

2.1 SVPWM調制模型

搭建SVPWM模型需要知道參考電壓矢量Uref（圖3 中為三相abc 參考電壓轉換到αβ 坐標系下的分量uα和uβ），通過伏秒平衡對合成電動勢的基本電壓矢量作用時間進行計算，SVPWM 仿真模塊的輸入端為參考電壓矢量Uref，輸出端是驅動電路開關管的觸發脈沖。SVPWM仿真模型如圖3 所示，主要包括扇區選擇、時間計算和驅動脈沖3 個子模塊。

圖3 SVPWM仿真模型

經過內環控制得到的參考電壓輸入SVPWM調制模塊后的第1 個步驟是確定所在扇區。由于每個扇區的大、中、小電壓矢量是不一樣的，用于合成參考電壓矢量的基本電壓矢量也不相同，只有在確定扇區之后才可以確定合成所需的參考電壓的兩個相鄰矢量。圖3 中Sec Selector部分為扇區選擇仿真子模塊。

當系統捕捉到電壓矢量Uref后，首先得到參考電壓矢量Uref所在的扇區，然后根據矢量合成的原則推算出所需要的基本電壓矢量，基本電壓矢量的作用時間在電壓矢量確定后得出。時間計算子模塊中包括圖3 中的Get、XYZ和Tx、Ty、Cal模塊。

確定基本矢量的作用時間后，就進入了SVPWM調制的最后一步，即確定開關的切換時間點。讓輸入的參考矢量選擇最合適的開關時間點不僅可以降低損耗，還可以減少諧波分量。驅動脈沖產生子模塊如圖3中的Tpwm模塊。圖4 中相隔120°的馬鞍波是時間切換點的輸出調制波形。從仿真結果來看，兩者完全印證了SVPWM調制的理論知識，證實了算法的正確性。

圖4 時間切換點輸出調制波

2.2 電流前饋解耦控制和無差拍控制模型

對于一個三相PWM 整流器來說，最看重的指標就是輸入電流與輸出電壓，雙閉環控制系統恰恰就掌握著這兩個最重要的指標。輸入電流能否正弦化以及輸出電壓能否趨于穩定，都取決于雙閉環系統的工作狀態好壞。對于電壓外環的設計主要目的是為了實現即使在有外界干擾的情況下直流側輸出電壓也能保持穩定，滿足系統對輸出電壓穩定性的要求［14］。電流前饋解耦控制的內環，設計的主要目的是實現電流d、q分量的解耦，來達到輸入電流快速跟蹤輸入電壓的變化，使得功率因數達到1。電流前饋解耦控制如圖5所示。

圖5 電流前饋解耦控制

同時，電壓外環的比例積分（Proportional Integral，PI）控制策略為電流內環提供有功參考電流id*。另一方面，為達到網側單位功率因數運行，選擇輸入內環控制的參考電流無功成分iq*為0，在經歷dq0 變換之后，得到的電流都是直流量，這樣也使得控制變得更加方便簡單。

為進一步分析PWM 整流器內環控制，體會內環控制在輸入電流正弦化方面所起到的重要作用，引入一種無差拍控制方式。采用的無差拍控制是對網側電流解耦后進行再加工，是一種針對被控對象精準數學模型的算法，用于分析離散化情況下的三相PWM 整流器。相對于電流前饋解耦控制而言，無差拍控制省去了比例積分調節器，減少了大量的PI 調節調試，并可精準的預測下一時刻的電流值。無差拍控制從一定程度上來說可以完全替代電流前饋解耦控制。無差拍控制模型如圖6 所示。

圖6 無差拍控制模型

圖7、8 所示為控制模型坐標變換中的相應仿真波形。

圖7 αβ坐標變換

圖7 為三相abc 值的αβ 分量，用以提供SVPWM調制所需要的輸入電壓參考矢量值Uref。圖8 為解耦后的dq軸分量波形，可見，電流的前饋解耦控制實現了d、q軸變量的分離，使得直流電流實現了獨立控制，既方便控制設計，又可得到想要的控制效果，更重要的是簡化了控制結構，系統的穩定性也大大提高［15］。

圖8 解耦后的dq軸分量

圖9、10 為采用無差拍控制策略時獲取的三相PWM整流器仿真波形，從仿真結果看出，該仿真平臺的輸入電流快速跟蹤輸入電壓呈正弦狀，且相位保持一致，實現了單位功率因數運行，輸出電壓也迅速穩定在給定電壓。

圖9 交流側輸入電壓、電流波形

圖10 輸出電壓波形

2.3 實驗平臺設計與分析

Matlab／Simulink軟件對控制算法進行離線仿真和驗證，其自帶的實時工作區（Real-Time Workshop，RTW）與dSPACE 的實時接口（Real-Time Interface，RTI）相配合，將Matlab／Simulink 軟件與dSPACE 實時系統連接起來，即可實現代碼從Simulink 模型到dSPACE 控制系統的自動下載，進而完成兩者之間的銜接。基于dSPACE 的控制系統設計流程如圖11所示。

圖11 基于dSPACE的控制系統設計流程圖

設計開發三相PWM整流器，將其與dSPACE硬件系統相連接，即可軟硬件結合實現仿真實驗系統的運行分析。仿真實驗系統平臺如圖12 所示。圖13 為采用平臺采集的實驗波形，其中Udc為直流輸出電壓波形，ua和ia分別為a相輸入電壓和電流波形。由圖中可見，能夠實現網側電壓、電流的同相位以及輸出電壓的穩定；負載切換時輸出電壓略有波動，但快速回到給定值，能夠實現良好的動穩態性能。

圖12 基于dSPACE的仿真實驗系統平臺

圖13 平臺采集的動穩態波形

3 結語

本文基于dSPACE 實時仿真系統，搭建一種三相電壓型PWM整流器的仿真與實驗教學平臺，分析了仿真系統的各個環節及典型的仿真波形，給出了實驗平臺的設計分析過程。該平臺讓學生通過仿真與實驗分析驗證理論知識，主要服務于電氣工程本科生課程“柔性輸配電技術”和研究生課程“現代電力電子技術”的教學研究。通過仿真實踐訓練，有助于提高學生的系統設計、仿真建模分析和實驗操作能力。