基于DSP的三相PWM整流PI調(diào)節(jié)器設(shè)計

楊俊蓮

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

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在減少電網(wǎng)諧波污染及無功補(bǔ)償方面有很強(qiáng)優(yōu)勢的PWM整流技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。該技術(shù)可以實現(xiàn)接近正弦電流輸入、單位功率因數(shù)、能量四象限運行（雙向流動）、動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點［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變量。因此，如何合理的設(shè)計控制兩個變量的調(diào)節(jié)器參數(shù)以保證在電源電壓波動范圍內(nèi)能實現(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)

直接對三相交流信號進(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，不僅導(dǎo)致無法對電壓進(jìn)行單獨控制，而且增加了設(shè)計控制器的難度。為此，需要采用前饋解耦控制的方式對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

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開關(guān)周期1/2，由此可以推導(dǎo)出電流內(nèi)環(huán)開環(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過小系統(tǒng)的跟隨性就會變差。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

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：

開環(huán)傳遞函數(shù)可以簡化為：

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)境下對三相PWM整流器進(jìn)行了仿真實驗。

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)計與實現(xiàn)

DSP（數(shù)字信號處理器）是新一代運算控制芯片，具有運算控制能力強(qiáng)，成本低、可靠性高等優(yōu)點，同時可完成故障診斷、數(shù)據(jù)存儲等提高系統(tǒng)智能化的功能。本設(shè)計方案中采用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匯編語言實現(xiàn)。在控制軟件中需要實現(xiàn)電壓空間矢量PWM控制、電流電壓采樣、過零檢測、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的電壓信號并輸入至DSP的A/D端口，同步檢測電路利用內(nèi)部的電壓傳感器及電壓轉(zhuǎn)換電路輸出脈沖信號至DSP的CAP（捕獲單元），通過檢測脈沖信號的上升沿及兩個上升沿的間隔時間就可以獲得相位同步信號及電網(wǎng)頻率；系統(tǒng)輸出直流電壓通過直流電壓檢測電路信息送入DSP的A/D端口；DSP輸出的PWM信號經(jīng)過光電耦合器隔離后作為IPM模塊的驅(qū)動電路；IPM所有的故障輸出通道通過一個與門后，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

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)計了基于DSP的PWM控制系統(tǒng)，分別根據(jù)控制要求設(shè)計了PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。最后的方針結(jié)果表明系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)異，從而驗證了這種設(shè)計方法的優(yōu)越性和正確性。

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