基于DSP的PWM整流技術(shù)研究

引 言
    整流器作為一種AC／DC變換裝置，其發(fā)展經(jīng)歷了由不可控整流器(二極管整流)、相控整流器(晶閘管整流)到PWM整流器(門(mén)極可關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管)的發(fā)展歷程。晶閘管相控整流和二極管不可控整流對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低。PWM整流器已對(duì)傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進(jìn)行了全面的改進(jìn)。TMS320LF2407具有快速的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的硬件資源，作為控制芯片可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和控制精度，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電氣自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。

1 總體設(shè)計(jì)及硬件電路
    圖1為PWM整流器系統(tǒng)硬件框圖。在這個(gè)系統(tǒng)中，TMS320LF2407為數(shù)字控制芯片，整流器采用SVPWM控制策略。系統(tǒng)硬件由主電路、直流電壓檢測(cè)電路、交流側(cè)輸入電流檢測(cè)電路、過(guò)零檢測(cè)電路和保護(hù)電路等組成。DSP采集直流電壓檢測(cè)電路檢測(cè)的電壓值和交流電流檢測(cè)電路檢測(cè)的電流值，通過(guò)SVPWM控制算法，產(chǎn)生6路PWM脈沖通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊去控制整流橋功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，DSP封鎖PWM輸出。

1．1 主電路
    圖2為三相PWM整流橋主電路，包括交流側(cè)的電感、電阻、直流輸出電容，以及由全控開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管組成的三相半橋電路。ua、ub、uc為電源電壓，L為交流側(cè)濾波電感，主要作用為隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)與交流側(cè)電壓，濾除交流側(cè)PWM諧波電流，實(shí)現(xiàn)PWM整流器交流側(cè)正弦波電流控制。

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     電阻R為濾波電感L的等效電阻和功率開(kāi)關(guān)管損耗等效電阻的合并，C為直流側(cè)支撐電容，其主要作用為緩沖三相電壓型PWM整流器交流側(cè)與直流負(fù)載間的能量交換，且穩(wěn)定VSR直流側(cè)電壓，抑制直流側(cè)諧波電壓。

1．2 過(guò)零檢測(cè)電路
    過(guò)零檢測(cè)電路如圖3所示。過(guò)零觸發(fā)電路的作用是根據(jù)相電壓的過(guò)零點(diǎn)來(lái)鑒別系統(tǒng)所處的區(qū)間，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)脈沖使系統(tǒng)軟件產(chǎn)生中斷來(lái)調(diào)用相應(yīng)的控制脈沖計(jì)算程序。電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓和濾波，通過(guò)LM393構(gòu)成的過(guò)零比較電路得到與電網(wǎng)輸入相電壓信號(hào)同步的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)SN74121N變成和方波同步的觸發(fā)脈沖，隨后被送到DSP控制芯片的捕獲接口，用來(lái)產(chǎn)生邊沿捕獲信號(hào)以觸發(fā)相應(yīng)的中斷，從而調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

2 軟件設(shè)計(jì)
    空間矢量PWM(SVPWM)控制策略是依據(jù)變流器空間電壓(電流)矢量切換來(lái)控制變流器的一種思路新穎的控制策略。SVPWM具有電壓利用率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，另外，簡(jiǎn)單的矢量模式切換更易于單片微處理器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)空間矢量的控制原理，三相對(duì)稱(chēng)的整流器開(kāi)關(guān)輸入電壓可視作一個(gè)空間電壓矢量V來(lái)處理，利用整流器8個(gè)基本電壓空間矢量V0～V7的不同組合合成幅值相同、相位不同的空間電壓矢量V。區(qū)間劃分與基本電壓空間矢量之間的關(guān)系如圖4所示。

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    假設(shè)電壓空間矢量V在I區(qū)間，那么需要基本電壓矢量V1、V2、V0／7共同作用來(lái)合成。依據(jù)平行四邊形法則，有
   
    T1、T2分別為矢量V1、V2在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的持續(xù)時(shí)間；Ts為PWM開(kāi)關(guān)周期。令零矢量V0/7的持續(xù)時(shí)間為T(mén)0/7，則
   
    令V與V1間的夾角為θ，又因|V1|=|V2|=2Udc／3，可得

   
其中Udc為輸出直流電壓。
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、中斷服務(wù)子程序、電壓滯環(huán)模塊、電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)模塊、數(shù)字電流環(huán)PI調(diào)節(jié)模塊、扇區(qū)判斷子程序和SVPWM產(chǎn)生子程序等。圖5為主程序流程，圖6為’中斷服務(wù)程序流程。主程序主要完成DSP控制器的系統(tǒng)初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、事件管理器模塊等相關(guān)控制寄存器的初始化，系統(tǒng)中控制用的狀態(tài)變量的初始化。在中斷程序中，通過(guò)調(diào)用一些子程序模塊，完成相應(yīng)的控制算法，輸出PWM控制脈沖等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    搭建了11KVA整流實(shí)驗(yàn)樣機(jī)硬件平臺(tái)，輸入三相電壓有效值為220 V，頻率為50Hz。圖7為A相輸入電壓和電流波形，可以看出輸入電流波形呈正弦化，電源電壓和輸入交流電流同相位，基本實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流。圖8為輸出直流電壓波形，可以看出輸出直流電壓比較平滑，脈動(dòng)小，基本穩(wěn)定在620 V。圖9為同一橋臂上下功率管PWM波形，為了防止上下管同時(shí)導(dǎo)通，設(shè)置了5μs的死區(qū)。

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結(jié) 語(yǔ)
    本系統(tǒng)采用了TMS320LF2407DSP控制芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。三相PWM整流器采用SVPWM控制，提高了電壓的利用率。簡(jiǎn)單的空間矢量切換模式更易于單片微處理器實(shí)現(xiàn)，可以使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，基本實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。本系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。