基于DSP的三相电压型PWM整流器控制系统设计(精)

基于DSP的三相电压型PWM整流器控制系统设计
张纯江1,2,王英1,赵清林1,刘彦民1
(1.燕山大学,秦皇岛066004;2.哈尔滨工业大学,哈尔滨150006
摘要:介绍了一种由DSP控制的三相PWM整流器的新型间接电流控制系统,提出了新型相位幅值控制方法,以滞后角ξ作为输入变量。

采用TMS320F240为核心控制芯片,实现控制算法和空间矢量的数字算法。

实验结果表明,系统可以按照给定调节输出直流电压并且能够实现单位功率因数。

关键词:整流器;脉宽调制/数字信号处理器;相位幅值控制
中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号:1000-100X(200206-0045-03
Control System Design of the Three2phase Voltage2fed R ectif ier B ased on DSP ZHAN G Chun2jiang1,2,WAN G Y ing1,ZHAO Qing2lin1,L IU Yan2min1
(1.Yanshan U niversity,Qin Huangdao066004,China;2.Harbin Institute of Techniology,Harbin150006,China
Abstract:This paper presents a new idea of indirect current control s ystem of three2phase PWM rectifier based on DSP.A new phase2amplitude control method is proposed.The lag angleξis regarded as the input variable.The cont rol algorithm and the digital algorithm of the space vector control are im plemented with
TMS320F240chip.Experiments show that the system realizes the unity power factor and regulates output DC voltage according to the voltage reference.
K eyw ords:rectifier;PWM;DSP;phase2amplitude control
1引言
三相整流器在中等功率及大功率电能变换中应用很广,通常作为逆变电路或是大型U PS电源的前级直流电源。

根据控制策略的不同,三相电压型PWM整流器的控制系统可由模拟电路或单片机扩展外围设备来实现。

模拟电路构成的控制系统较单片机系统调节速度要快,但随环境和温度的变化,系统的参数会发生变化,且系统可能发生的故障点较多,维护相对困难。

相对而言,单片机系统的稳定性更好,但由于单片机的固有特性,对于这样一个多变量的复杂系统,它的运算能力和运算速度难以满足要求,影响系统的性能。

文中提出一种采用DSP控制的三相整流器的新型间接电流控制系统,该系统以整流器前端电压与电源电压滞后角ξ作为输入变量,采用TMS320F240为核心控制芯片,实现以空间矢量控制的数字算法和快速、实时控制。

系统结构紧凑简单,具有更广泛的应用价值和前景。

2控制系统原理分析
三相电压型PWM整流器控制有直接电流控制[1,2]和间接电流控制[3]两种。

在直接电流控制中
收稿日期:2001-11-27
定稿日期:2002-03-27
作者简介:张纯江(1961-,男,秦皇岛市人,教授,研究
方向为高频功率变换及软开关技术、大功率
牵引传动。

直接检测交流侧电流信号加以控制,系统响应快,动态响应好,但检测量过多,控制复杂。

间接电流控制又称相位幅值控制具有检测量少、控制简单、概念清晰的特点,可得到最优的性能价格比。

图1为典型的三相电压型整流器的主电路拓扑,图2为三相PWM整流器的单相(A相等效电路和电压相量图。

E a为输入电源电压幅值、U p a为桥臂中点电位即整流器前端电压的基波幅值、U L (U L=ωIL为升压电感两端电压有效值(在等效电
路中忽略了电感电阻,I为输入电流幅值,ξ为U p a 滞后于E a的电角度,<为功率因数角。

图1
三相电压型整流器主电路拓扑
图2单相等效电路及相量图
若要求功率因数为1,根据图2b,U p a的大小应满足下式:
54
U p a =
E a
cos
ξ(1
假设输出电容有一个中心抽头,则图1整流器输入侧a 点对此中心抽头间的电压波形与开关元件的触发波形一致,即整流器前端电压波形与开关元件PWM 波形
的相位及各脉冲间距均相同。

因此,通过改变开关元件触发信号的相位及调制比M r 就可以调整U p a 的相位和幅值,从而达到实现功率因数为1。

文中PWM 信号采用空间矢量调制方式。

在传统的相位幅值控制方式中,在功率因数为1时,ξ和U p a 的算法完全根据相量图并依赖于主电路参数,如下式
[3]
:
U p a =
(I ωL 2+(E a
2
(2ξ=arctan I ω
L
U p a
(3
式(2和式(3的运算量较大并且与主电路参数
相关联,不易实现实时控制,系统存在受主电路参数影响的局限性。

所提出的新型相位幅值控制是将PI 调节器输出作为滞后角ξ的给定,而ξ角作为被控对象的输入变量并依据能量守恒原则和系统的调节关系以及相量关系确定控制算法,系统闭环结构框图如图3所示。

图3闭环系统结构图
这种控制策略是将误差信号经PI 调节器后输
出作为滞后角ξ,其静态关系如下:
ξ=k P (U ref -U dc (4控制过程:当负载扰动使U dc 上升即误差e 下
降时,由式(4得出ξ减小,从图2b 可知,输入电流I 随之减小。

根据能量守恒原则(忽略其它损耗
有:3
2E a I =U dc 2
R f
,因此U dc 将减小,即U dc 负载扰动
调节成功。

同理可知,当负载电压U dc 下降时,调节
过程类似。

将PI 调节器的输出转换成角度(即ξ角,并按式(1计算出整流器前端电压幅值U p a 即可实现单位功率因数。

PWM 整流器的另一个主要方面就是PWM 调制,在本系统中采用空间矢量脉宽调制即SV PWM ,这是一种考虑综合效果最优的PWM 方式,特别适合于数字控制。

各空间矢量在逼近给定矢量过程中所需时间计算公式如下[4]:
T 1=M r T s sin (π
3
-θT 2=M r T s sin θ
T
0=T s -(T 1+T 2
(5
式中M r
调制比
M r =
3U p a
U dc
(6
根据上述分析,依据式(1、
(4、(5、(6便可以计算出所需要的SV PWM 数据,从而通过下述控制系统实时发出PWM 波形。

3控制系统硬件分析
系统核心控制芯片为:TI 公司生产的TMS320F240DSP 芯片[5]。

采用该芯片的控制系
统与相同的单片机(以C51为例控制系统比较,有以下优点:
(1指令周期DSP 为50ns 、C51为1
μs ;(2DSP 采用并行处理技术解决了传统单片机
执行速度瓶颈;
(3DSP 采用外部设备集成技术,集成常用的外围设备如:ADC 转换、串行通讯、9路PWM 发波口、以及输入输出口等等。

由一片DSP 构成的控制系统通常只用很少的外围设备就可以构成。

文中控制系统硬件分析如下:由系统结构图及控制策略可知,系统需要检测:①输入电压峰值与过零点;②输出电压大小;③参考给定电压。

根据系统控制要求,DSP 的ADCIN 2、ADCIN 3
口分别作为检测输出电压和给定输出电压。

由CAPTU RE 1来检测输入电源电压过零点,PI 调节
器由模拟电路实现,系统硬件电路框图如图4所示。

图4控制系统硬件结构图
4系统软件设计
主程序的作用是:初始化,开中断,在等待中断
6
4
发生的空闲采集输入信号,设置ADC 转换结束标志位为1。

期间为保证程序正常运行要禁止看门狗。

图5系统主程序流程图图6CAPTURE CAPTU RE 中断的作用是:由CAPTU RE1口
检测输入电压过零时刻。

设置其为上升沿触发
F240中的IN T 2中断。

在
CAPTU RE 中断执行中判断ADC 结束标志位是否设置,然后决定是否赋初值,最后,开PWM 中断。

在执行PWM 中断时判断扇区,计算T 1、T 2决定开关顺序。

PWM 中断的作用是:由系统得出的误差信号
来计算空间矢量的各个脉冲的宽度。

5实验结果
实验参数:电源电压为220V ,输入电感为7mH ,主开关器件采用GTO
(600A/1300V 。

图7为DSP 发出的三相空间矢量PWM 波形。

图7DSP 发出的三相空间矢量波形
在本系统中采用了最小开关损耗方式,由图7
可以看到,在一个工频周期内有1/3时间没有开关动作,从这个意义上讲,可以减小1/3的开关损耗。

图8为电源电压和电流波形,可以看到,电流基本为正弦波并且
与电压保持同相位,实现了单位功率因数,用电力谐波分析仪F41B 测得的电流总畸
变率
T HD 为5.8%。

图8输入电源电压和电流波形
6结论
以TMS320F240为核心构成的三相PWM 整
流器控制系统充分发挥了DSP 功能强大、运算速度快的特点。

提出了新型相
位幅值控制策略,此控制方法比传统相位幅值控制算法简单并且与主电路参数无关,更具实用性,结合空间矢量脉宽调制实现了系统实时控制和单位功率因数,具有广阔的应用前景。

参考文献:
[1]
Dawande M S ,et al.Three 2phase Switch Mode Rectifier with Hysteresis Current Control[J ].IEEE Trans.on PE ,1996,11(3:446~471.[2]
Wu R S ,et al.A PWM AC 2DC Converter with Fixed Switching Frequency
[J ].IEEE Trans.on Ind.1990,26(5:880~885.[3]
Dixon W J ,et al.Indirect Current Control of an Unity Power Factor Sinusoidal Current Boost Type Three 2phase Rectifier [J ].IEEE Trans.on Ind.1988,35(4:508~514.[4]
Van Der Broeck H W ,et al.Analysis and Realization of a Pulse Width Modulation Based on Voltage Space Vector [J ].IEEE Trans.on IA.,1988,24(1:142~150.[5]
Texas Instruments.TMS320F/C240DSP Controllers Reference Guide[M ].1999.
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4基于DSP 的三相电压型PWM 整流器控制系统设计。