基于DSP的PWM整流器控制系統研究

張驍 宋義超

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

1 引言

PWM 整流器具有直流輸出電壓紋波小、輸入端電流呈正弦、單位功率因數以及能量可雙向流動等優點，對電網而言可視為一個純阻性負載，極大地減少了電力電子變換裝置對電網的諧波注入，是一種主動的抑制諧波的方法。近幾十年來由于PWM整流器主電路并無多大突破，更多的研究集中在整流器的控制技術上，現在廣泛采用的是在同步坐標系下電壓、電流的雙閉環控制策略，根據整流器的雙環控制結構，采用DSP芯片，利用其內部資源和高速數據處理能力，研究了空間矢量脈寬調制的原理以及DSP實現算法，最后給出了實驗結果及分析。

2 PWM整流器控制結構

三相電壓型PWM整流器的主電路結構如圖1所示，Ls為網側濾波電感，C為直流濾波電容，RL為直流負載，ura,urb,urc為整流橋三相控制電壓。

圖1 電壓型PWM整流器的主電路

采用坐標變換，從三相坐標系變換到兩相同步坐標系下，得到在同步坐標下的方程：

三相電壓型PWM整流器目前應用最廣泛、最為實用的控制方法是在同步坐標系下的電壓、電流雙閉環控制[1]。其控制原理為：輸出直流電壓與給定電壓值的誤差經過電壓環的控制，輸出作為有功電流指令。三相電源電流經同步坐標變換，得到有功電流和無功電流，無功電流的指令值由所需的功率因數角確定，若整流器運行于單位功率因數，則無功電流的指令值為零。 有功電流和無功電流實際值與其指令值經過電流解耦控制，得到整流橋中點控制電壓，再經過空間矢量脈寬調制產生相應的PWM控制信號去驅動功率開關管的通斷。在同步坐標系下，PWM 整流器的電壓、電流雙閉環控制結構框圖如下圖2所示：

圖2 電壓、電流雙閉環控制框圖

3 空間矢量脈寬調制的原理及其DSP實現

從三相電壓型PWM整流器電路分析，六個開關管分別被 a, a’, b, b’, c, c’六個控制信號所控制，當整流器一個橋臂上的開關管開通時，對應的另一個開關管關閉。每相橋臂有兩種開關模式，即上橋臂或下橋臂導通，因此整流器共有8種開關模式，用單極性二值邏輯開關函數Sj(j=a,b,c)描述，即：

空間電壓矢量描述了三相PWM整流器整流橋交流側相電壓(ura, urb, urc)在復平面上的空間分布，由第二章所分析的，交流側電壓與開關函數和輸出直流電壓的關系為：

由坐標變換關系，從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系，并考慮三相電壓的平衡關系可得到：

每個空間矢量與開關管的組合(c,b,a)相對應，例如：當(c,b,a)=001時，表示此時的空間矢量為U0，開關管的組合所決定的8個基本空間矢量如圖3所示[4]：

圖3 基本空間矢量關系

圖4 坐標變換關系

空間矢量PWM的目的是通過與基本的空間矢量對應的開關組合得到一個給定的參考電壓Uout，它的 α—β 軸分量分別用urα ,urβ表示。先考慮在第一扇區的情況，圖4表示參考電壓矢量Uout對應的urα ,urβ和基本空間矢量U0、U60的對應關系，有如下的表達式：

在圖4中，Uout用U0、U60兩個矢量來表示，有：

其中T1和T3分別是在周期時間T中基本空間矢量U0、U60各自作用的時間，T0是零矢量作用的時間。T1和T3可由下式計算：

同理，如果Uout位于被空間矢量U60、U120所包圍的扇區2中，矢量作用時間的相對值也可表示為：

其中T2是空間矢量U120在周期中的作用時間。

為此，定義如下的X,Y,Z三個變量：

當Uou位于其他的空間矢量所包含的扇區中時，相應的t1,t2與X,Y,Z的對應關系為表1所示：

表1 t1,t2與X,Y,Z的對應關系

圖5是當PWM控制周期為0.67 ms，正弦電壓周期為20 ms時，TMS320LF2407輸出的一路SVPWM波形。

圖5 DSP輸出的一路SVPWM波形

程序設計需要在 DSP片內實現輸入變量的采樣、坐標變換、電壓電流控制、空間矢量調制信號的運算等功能，系統的主程序框圖如圖6所示。數據處理子程序的框圖如圖7所示

圖6 系統軟件框圖

圖7 數據處理程序框圖

4 試驗波結果及分析

圖8是在1.5 kW純阻性負載情況下，穩態時輸出直流電壓和a相輸入電壓、電流波形，可以看出，輸出直流電壓能很好地穩定在300 V，輸入電流為正弦波，且與輸入電壓同相，基本上實現了單位功率因數。

圖8 PWM采用DSP控制時穩態波形

圖9是在PWM整流器從空載突加1.5 kW純阻性負載情況下，動態過程中輸出電壓和a相輸入電壓、電流的波形，輸入電流也能很快地進入穩態，負載突變反應時間短，能很好地抗外部干擾。

圖9 PWM整流器負載突變調節時的波形

5 結論

本文介紹了PWM整流器的全數字化實現方法，采用在dq同步坐標系中的雙閉環控制和空間矢量脈寬調制算法，實現了PWM整流器的單位功率因數，輸出電壓穩定、紋波小，在負載突變時能很快的進入穩定狀態，具有一定的抗干擾能力。

[1] Ye Y, Kazerani M, Quintana V H..A novel modeling and control method for three-phase PWM converters. PESC.2001 IEEE 32th Annual, 2001.

[2] 張興, 張崇巍. PWM 可逆變流器空間電壓矢量控制技術研究. 中國電機工程學報, 2001, 21（10）.

[3] H. W. Van Der Broeck，H.C. Skudelny，G.V. Stanke.Analysis and realization of a pulse-width modulator based on voltage sapace vector. IEEE Trans.Ind Applicat, 1988, 24(1).

[4] 劉和平. MS320LF240x DSP結構、原理及應用. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2002.