基于dsPIC30F4012型微處理器的三相電壓型PWM整流器研究

    摘要：建立了電壓型PWM整流器模型，提出一種實用的電流解耦方案，給出一種由dsPIC30F4012型微處理器控制的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹其系統(tǒng)組成、控制原理及硬件結(jié)構(gòu)，論述其軟件流程，給出實驗結(jié)果。

    關(guān)鍵詞：PWMi dsPIC30F4012；電流解耦控制；電壓型整流器

引言

近幾年，在AC／DC變換中，PWM整流器因其能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行且?guī)缀醪划a(chǎn)生諧波而倍受關(guān)注。關(guān)于PWM整流器的研究在我國也進(jìn)行了很多年，其實施方案主要有電壓型PWM整流器和電流型PWM整流器。電流型PWM整流器由于存在直流儲能電感及交流LC濾波環(huán)節(jié)．因此結(jié)構(gòu)和控制相對復(fù)雜，系統(tǒng)損耗較大。而電壓型PWM整流器以其較低的損耗、簡單的結(jié)構(gòu)及控制等一系列優(yōu)點而成為PWM整流器的研究重點。

1 PWM整流器工作原理

圖1示出三相電壓型PWM整流器主電路。當(dāng)整流器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)后，輸出直流電壓恒定，整流橋的三相橋臂按正弦的脈寬調(diào)制規(guī)律驅(qū)動。開關(guān)頻率很高時，由于電感器的濾波作用，高次諧波電壓產(chǎn)生的諧波電流非常小，如果只考慮電流和電壓的基波，整流橋可以看作是一個理想的三相交流電壓源。適當(dāng)調(diào)節(jié)控制量的大小和相位，就能控制輸入電流的相位，可以達(dá)到改變功率因數(shù)的目的，其中對控制輸入電流的大小以控制傳入變換器的能量，也就控制了直流側(cè)電壓。可見PWM整流器的控制目標(biāo)是輸入電流和輸出電壓，而輸人電流的控制是整流器控制的關(guān)鍵。輸入電流的控制目標(biāo)是使電流波形成為正弦波且與輸入電壓同相位。

2在d—q坐標(biāo)中的數(shù)學(xué)模型[1，2，3]

在PWM整流器控制方法上，筆者將三相交流電流旋轉(zhuǎn)變換成在d-q坐標(biāo)系中進(jìn)行，以對電流的d、q分量進(jìn)行單獨控制。有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)十分方便。

圖1中的PWM整流器U∞、U∞、U∞分別為整流橋三相控制電壓，有方程式：

采用空間坐標(biāo)變換方法，將上述方程變換到二相靜止坐標(biāo)中，其變換矩陣為

再進(jìn)一步由α-β坐標(biāo)系變換為d—q二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，變換矩陣為變換方程為

經(jīng)過以上變換后，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PWM整流器方程為：

usd,、usq，id、qi。，Ud、Uq分別為d—q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電源電壓、輸入電流和橋中點控制電壓。以輸人電壓合成矢量的位置為d軸的正方向，取三相輸入電壓usc,usb,us為

則經(jīng)過同樣坐標(biāo)變換，在d—q同步坐標(biāo)系下有

將(8)式代入同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PWM整流器的方程(6)式可得

由此式可見，id與iq之間存在耦合，通常有電壓前饋解耦控制和電流反饋解耦控制二種，前者雖是一種完全線性化的解耦控制方案．但實時性并不好。筆者采用電流反饋解耦控制方式，實施方便，控制電路簡單。

在實際應(yīng)用中．當(dāng)電壓環(huán)的采樣頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)電壓的頻率時，在方程中造成互耦的ωLid和ωLid對電流調(diào)節(jié)器性能影響較小[1]，可忽略，這樣將電流控制指令id*、iq*與反饋電流id、iq比較，其誤差經(jīng)過P，調(diào)節(jié)得到電壓給定信號，得出近似解耦模型，即：

PWM整流器基本控制框圖如圖2所示。當(dāng)PWM要得到單位功率因數(shù)時，則輸入電流要跟蹤輸入電壓，d—q坐標(biāo)系中，將輸入電壓矢量定位在d軸上，這樣控制電流矢量也同樣只有d軸分量，而q軸分量為零。滿足iq*=O即可。筆者采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方案。id*為電壓調(diào)節(jié)器輸出，它與有功電流成正比。

3 硬件電路組成

本系統(tǒng)采用Microchip公司專為電機(jī)高速控制生產(chǎn)的dsPIC30F4012型16位微處理器作為核心控制電路組成全數(shù)字化PWM整流器。dsPI(230F4012有1個16位CPU和1個dSP內(nèi)核，當(dāng)內(nèi)部最高時鐘頻率為120MHz時，進(jìn)行一次16bitxl6bit運(yùn)算的時間為8．3ns：另外包括2048字節(jié)的寄存器RAM、48KB的片內(nèi)程序空間、1024字節(jié)的，EEPR()M、中斷7個I／0口共21條I／0口線，有1路全雙工的UART功能模塊、1個同步串行SPI功能模塊、1個FC串行通信模塊和1個CAN串行通信模塊，片內(nèi)設(shè)有1個6通道的A／D轉(zhuǎn)換器，工作在10位模式，采樣保持時間、轉(zhuǎn)換時間、閾值檢測方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；5個16位定時器；有4路捕捉器、2路比較／標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制單元(PWM)模塊；1個6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器。dsPIC30F4012內(nèi)M(2PWM電機(jī)專用PWM控制器是其設(shè)計特色之一；這一設(shè)置大大簡化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件．通過編程可產(chǎn)生獨立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形．并由RE口直接輸出6路PWM信號給整流器。每個引腳驅(qū)動電流達(dá)25mA，為防止同一橋臂上2個功率管直通造成短路。該發(fā)生器還可通過編程設(shè)置死區(qū)互鎖時間，在外部時鐘10MHz經(jīng)內(nèi)部8倍頻后的系統(tǒng)時鐘為80MHz時，死區(qū)時間范圍根據(jù)分頻系數(shù)的不同分為系數(shù)為1：1時為50ns～3．15μs；系數(shù)為l：2時為100ns～6．3μs，系數(shù)為1：4時為200ns～12．6μs：系數(shù)為1：8時為400ns～25．2μs。

圖3示出系統(tǒng)組成框圖，本方案的硬件主要由輸入電壓相位和幅值檢測、輸入電流檢測、輸出電壓檢測、驅(qū)動和保護(hù)電路等組成。電流和電壓檢測采用霍爾傳感器，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘栟D(zhuǎn)換后輸入到dsPIC30F4012的A／D端。驅(qū)動電路采用EXB841。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計[4]

系統(tǒng)軟件主要由主程序和二個中斷服務(wù)子程序組成。主程序部分主要是對控制軟件進(jìn)行初始化，設(shè)置dsPIC30F4012的各種功能模塊，以設(shè)定系統(tǒng)各個功能模塊的工作方式。系統(tǒng)包含二個中斷服務(wù)程序，即電流中斷服務(wù)程序和捕獲口中斷服務(wù)程序。捕獲口中斷服務(wù)子程序流的作用是對輸入信號進(jìn)行定位。電流中斷服務(wù)程序用來完成電壓、電流的調(diào)節(jié)及輸出PWM信號到硬件電路，以控制開關(guān)管從而達(dá)到控制主電路的目的．同時完成各種軟件保護(hù)的查詢與輸出保護(hù)信號的功能，圖4示出電流中斷服務(wù)子程序的流程。

5 實驗結(jié)果與結(jié)論

基于dsPIC30F14012的電壓型PWM整流器的輸入交流相電壓為220V、輸出直流電壓為600V。輸入電感為7.5mH，整流負(fù)載為50Ω。本系統(tǒng)主電路采用三菱公司的CMl50DY-24H型150A／1200V型IG-BT，驅(qū)動采用EXB84l厚膜電路。實驗證明：電流基本為正弦波并且與電壓波形相同，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)，用電力諧波分析儀測得的電流總畸變率(THP)為3.8％。

通過對PWM整流器在d—q坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)和分析，提出了一種較適用的d—q坐標(biāo)系下的近似解耦控制方法．并采用功能強(qiáng)大的dsPIC30F4012型微處理器作為核心實現(xiàn)全數(shù)字化PWM整流器。從實驗結(jié)果看效果良好。具有較好的應(yīng)用前景