基于DSP 的三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高麗紅

（漳州城市職業(yè)學(xué)院電子信息工程系，福建 漳州 363000）

0 引言

現(xiàn)代多領(lǐng)域需大量變流裝置，以轉(zhuǎn)換電能頻率、幅值和相位，提升經(jīng)濟(jì)效益。但這些裝置依賴整流模塊獲取直流電壓，傳統(tǒng)二極管和晶閘管整流方式易產(chǎn)生諧波和無(wú)功功率，增加損耗，降低效率，影響供電質(zhì)量。因此，整流逆變器的控制得到廣泛關(guān)注，張薇琳等[1]采用擾動(dòng)觀測(cè)器進(jìn)行三相逆變器的預(yù)測(cè)控制，可以提升逆變器的魯棒性；楊興武等[2]在傳統(tǒng)FSCMPC（有限控制集模型預(yù)測(cè)控制）的基礎(chǔ)上，引入功率跟蹤目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行PWM（Pulse Width Modulation）整流器的控制，可以解決傳統(tǒng)控制技術(shù)采樣頻率較低、控制精度較差等問(wèn)題；袁敞等[3]利用能量函數(shù)確定PWM 整流器無(wú)源性控制方法收斂速度慢的原因，從而提出一種新型控制策略。經(jīng)眾多學(xué)者的數(shù)十年研究，我國(guó)PWM 整流器技術(shù)逐漸成熟，但隨著電網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，PWM 整流逆變器的主電路發(fā)生較大變化。同時(shí)，在PWM 整流器的主電路類(lèi)型上，三相電壓型成為主流，所以探討三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采樣芯片選型

綜合考慮三相電壓型PWM 整流逆變的實(shí)際情況，采用AMC1304M05QDWRQ1 芯片為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣芯片[4]。在AMC1304M05QDWRQ1 芯片中，設(shè)置SDFM 模塊（Sigma Delta Filter Module），各模塊均配置獨(dú)立的比較器與濾波器單元，在接收采樣電路輸出的數(shù)據(jù)流后，通過(guò)32 位數(shù)字濾波器輸出，所以該芯片的四通道數(shù)字濾波器模塊[5]。其外圍采樣電路如圖1。

圖1 芯片外圍采樣電路示意圖

1.2 DSP 控制芯片選型

在根據(jù)上述芯片完成電壓與電流信號(hào)的采樣工作后，利用DSP 控制芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，所以本章探討系統(tǒng)DSP（Digital Signal Processing/Processor）控制芯片的選型。采用TMS320FDSP28335 芯片作為控制芯片，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 DSP 控制芯片技術(shù)指標(biāo)

2 三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 雙閉環(huán)串級(jí)控制策略設(shè)計(jì)

滑模變結(jié)構(gòu)基于狀態(tài)空間線性系統(tǒng)，較傳統(tǒng)方式有更高穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，其控制原理如下式：

式中，Y為一維非線性系統(tǒng)；f為狀態(tài)變量函數(shù)；X為狀態(tài)變量；g為控制律；t為時(shí)間。在式（1）所示的滑膜變結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵在于控制律的選擇，采用下式的常值切換控制律：

式中，g0為未知的常數(shù)；sgn 為符號(hào)函數(shù)，取值為-1，0，1；h（X）為滑膜切換面函數(shù)。利用滑模變結(jié)構(gòu)進(jìn)行三相電壓型PWM 整流逆變電壓外環(huán)控制時(shí)，先確定滑膜切換面函數(shù)，再結(jié)合PWM 電壓變量切換控制規(guī)律，獲得一維非線性控制參數(shù)。設(shè)計(jì)一種解耦控制方式，三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)在dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，其d、q兩軸為耦合狀態(tài)，電流內(nèi)環(huán)控制策略時(shí)需對(duì)d、q兩軸的變量進(jìn)行解耦操作，已知：

式中，Ud、Uq分別為d、q兩軸的輸出電壓值；kp、kd分別為電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)與積分系數(shù)這兩個(gè)PI 參數(shù)；D為控制度；Idref、Iqref分別為d、q兩軸的輸入電流；Id、Iq分別為d、q兩軸的電流變量；ω為權(quán)值；L為電感；ed、eq分別為d、q兩軸的控制誤差。根據(jù)式（3）看出，三相電壓型PWM 整流逆變的d、q兩軸方程中均包含對(duì)方軸的變量，所以通過(guò)解耦控制來(lái)獲取電流內(nèi)環(huán)控制策略的PI 參數(shù)，在解耦過(guò)程將電流內(nèi)環(huán)看成具有反饋的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，按典型Ⅰ型控制結(jié)構(gòu)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)傳函的零極點(diǎn)對(duì)消后，即可求解出PI 控制參數(shù)，表達(dá)式如下：

式中，R為內(nèi)環(huán)等效電阻；τ為內(nèi)環(huán)中電流采樣周期的延時(shí)；T為PWM 開(kāi)關(guān)周期。

2.2 電壓空間矢量調(diào)制算法設(shè)計(jì)

引入SVPWM 算法，將電壓空間矢量調(diào)制為脈沖信號(hào)，采用脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。首先對(duì)雙閉環(huán)串級(jí)控制策略得到的電壓空間矢量來(lái)說(shuō)，將其映射在三相坐標(biāo)系（a，b，c）下產(chǎn)生相應(yīng)投影，再根據(jù)投影的正負(fù)對(duì)電壓矢量所在扇區(qū)進(jìn)行定位，如果電壓矢量投影大于0，那么a=1、b=1、c=1，否則a=0、b=0、c=0，設(shè)定一個(gè)常數(shù)F，令F滿足下式所示條件：

根據(jù)式（5）所求F和扇區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可對(duì)電壓矢量所在扇區(qū)進(jìn)行定位。再根據(jù)扇區(qū)來(lái)獲取電壓矢量的兩個(gè)相鄰非零矢量的作用時(shí)間t1與t2，根據(jù)兩個(gè)作用時(shí)間求出電壓矢量的切換點(diǎn)T1、T2、T3，表達(dá)式如下：

最后將式（6）所求切換點(diǎn)T1、T2、T3和三角載波進(jìn)行對(duì)比，完成電壓空間矢量的調(diào)制。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在本次系統(tǒng)測(cè)試中，首先采用MATLAB 軟件搭建圖2 所示的三相電壓型PWM 整流逆變器仿真模型圖。

圖2 三相電壓型PWM 整流逆變仿真模型

圖2 采用可編程的三相電源作為整流逆變器電源，模型中復(fù)雜為純電阻負(fù)載。模型仿真參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 三相電壓型PWM 整流逆變仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 應(yīng)用結(jié)果

分析三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)在A 相正弦輸入電壓初始相位角為0 時(shí)，系統(tǒng)帶動(dòng)200 Ω 直流負(fù)載至穩(wěn)定狀態(tài)后，負(fù)載突變至400 Ω 的性能。負(fù)載突變時(shí)三相電壓型PWM 整流逆變器直流側(cè)電壓的仿真模型，如圖3 所示。

圖3 三相電壓型PWM 整流逆變直流側(cè)電壓波形

從圖3 中可見(jiàn)，當(dāng)三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)運(yùn)行0.06 s 時(shí)，負(fù)載突變導(dǎo)致直流側(cè)電壓短暫下降50，但僅0.02 s 后即恢復(fù)穩(wěn)定。說(shuō)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)啟動(dòng)迅速，有效控制直流側(cè)電壓迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

選取文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法為對(duì)比方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用三種方法進(jìn)行PWM 整流器的控制，將輸入給定進(jìn)行突變，在0.02 s 時(shí)將給定直接電壓跳變到720 V，0.12 s 時(shí)又將電壓恢復(fù)至600 V，對(duì)比結(jié)果如圖4。

圖4 整流逆變控制性能對(duì)比

如圖4 所示，應(yīng)用所提系統(tǒng)進(jìn)行控制，其可在短時(shí)間內(nèi)完成響應(yīng)，并控制電壓進(jìn)行相關(guān)變化，而應(yīng)用兩種對(duì)比方法，其均存在控制不能跟隨突變變化的情況，無(wú)法對(duì)電路電壓進(jìn)行控制，證明采用DSP 設(shè)計(jì)的三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)具有可行性和可靠性，應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今電力系統(tǒng)中，各種耗電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。因此，使用一種對(duì)電網(wǎng)污染小、效率高的電能轉(zhuǎn)換裝置尤為重要。三相電壓型PWM 整流逆變器作為一種先進(jìn)的電能轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有功率因素高、諧波小、交流電流正弦化程度高以及能量可雙向流動(dòng)等顯著優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)基于DSP 的三相電壓型PWM 整流逆變系統(tǒng)。通過(guò)理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)仿真，證明該系統(tǒng)在各種電力電子應(yīng)用場(chǎng)景下的優(yōu)越性能。