基于DSP實(shí)現(xiàn)的PWM整流回饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 摘    要：本文主要介紹了基于DSP實(shí)現(xiàn)的PWM整流回饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可以做到輸入電流正弦、單位功率因數(shù)、直流母線電壓輸出穩(wěn)定，具有良好的動(dòng)態(tài)性能并可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)（即四象限運(yùn)行），最終給出實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

　　1 引言

　　隨著電網(wǎng)諧波污染問題的日益嚴(yán)重和人們對(duì)高性能電力傳動(dòng)技術(shù)的需要，人們對(duì)PWM整流技術(shù)給予了越來越多的關(guān)注。PWM整流器可以做到輸入電流正弦、單位功率因數(shù)、直流電壓輸出穩(wěn)定，具有良好的動(dòng)態(tài)性能并可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流功，也就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行，即快速制動(dòng)和能量回饋。與傳統(tǒng)的整流器（即不控整流或相控整流）相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。本文主要通過系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)、軟件和硬件等幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究和探討，最終給出實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

　　2 設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)圖1（系統(tǒng)框圖）所示，系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：模擬信號(hào)采集、DSP控制器和PWM驅(qū)動(dòng)電路。其中模擬信號(hào)采集部分主要完成對(duì)三相交流電壓、電流的采集和直流母線電壓的采集；控制器通過采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行算法控制，最終產(chǎn)生預(yù)期的PWM波，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的通斷，來實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　作為PWM整流回饋系統(tǒng)，主要目的是實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)、穩(wěn)定直流母線電壓輸出和能量的雙向流動(dòng)，下面針對(duì)這三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行探討和研究：

　　為實(shí)現(xiàn)整流和能量回饋的功率因數(shù)為1，同時(shí)也減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，首先應(yīng)該對(duì)三相電壓進(jìn)行鎖相，這樣可以保證在整流時(shí)的電流相位和電壓相位同相和能量回饋時(shí)電壓相位和電流相位相差180度，因此鎖相的精度直接影響到整流和回饋時(shí)的質(zhì)量。鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)，可以分為硬件鎖相環(huán)和軟件鎖相環(huán)，采用硬件鎖相環(huán)需要在系統(tǒng)上增加新的硬件，同時(shí)也增加了成本，因此，在本設(shè)計(jì)中采用軟件鎖相技術(shù)。

圖2 電壓矢量相位圖[!--empirenews.page--]

　　如圖2所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓幅值Us不變時(shí)，Uq直接反應(yīng)了d軸與電網(wǎng)電壓Us的相位關(guān)系，當(dāng)Uq>0時(shí)，d軸滯后于電網(wǎng)電壓Us；當(dāng)Uq<0時(shí)，d軸超前于電網(wǎng)電壓Us；當(dāng)Uq=0時(shí)，d軸與電網(wǎng)電壓Us同相。基于上述分析，設(shè)計(jì)如下鎖相環(huán)。首先虛擬一個(gè)同步角度，使其角速度與電網(wǎng)電壓相同，然后利用該角度對(duì)三相輸入電壓進(jìn)行CLARKE變換和PARK變換，使電壓矢量從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩項(xiàng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，同時(shí)令q軸電壓的參考值為零，并將q軸電壓值和參考值送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器輸出為同步角度與虛擬同步角度的誤差，并將其輸出對(duì)虛擬同步角度進(jìn)行補(bǔ)償，再利用補(bǔ)償后的角度進(jìn)行PARK變換，這樣構(gòu)成一閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)了軟件鎖相環(huán)。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

　　為實(shí)現(xiàn)母線電壓輸出的穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，即當(dāng)母線電壓高于期望值時(shí)，能量回饋電網(wǎng)，當(dāng)母線電壓低于期望值時(shí)，能量流向基側(cè)，進(jìn)行升壓。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，采用雙閉環(huán)控制，即電流環(huán)和電壓環(huán)控制。如圖5所示，電壓環(huán)作為外環(huán)控制，根據(jù)給定電壓和實(shí)測(cè)母線電壓的關(guān)系，通過PI調(diào)節(jié)后，計(jì)算出電流的給定值；電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)控制，根據(jù)外環(huán)計(jì)算出的電流給定值，進(jìn)行閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流和回饋。對(duì)三相交流信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制是很困難的，精度也不高，因此，我們采用矢量分解的方式，將三相交流信號(hào)從靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，并對(duì)d軸和q軸信號(hào)進(jìn)行控制。

圖4 整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖

　　根據(jù)圖4所示，可得出PWM整流器數(shù)學(xué)模型：

　　由上式可以看出，變換器交流側(cè)電流的d、q軸分量存在著相互耦合項(xiàng)，無(wú)法對(duì)電流的d、q軸分量進(jìn)行單獨(dú)控制，給控制器的設(shè)計(jì)造成一定困難，為此，本文采用前饋解耦控制策略，利用PI調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行解耦。解耦的具體過程如圖5的虛線部分所示。

圖5 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文采用TI公司的TMS320C2812作為主控制器，ADS7864Y作為模擬信號(hào)采集器對(duì)三相電壓和三相電流及直流母線電壓進(jìn)行采集，并采用一片CPLD進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制，系統(tǒng)的硬件框圖如下圖所示。

圖6 硬件系統(tǒng)框圖

　　由DSP控制器周期的控制AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)三相電壓及三相電流進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)母線電壓進(jìn)行采集，將采集到的三相電壓信號(hào)進(jìn)行軟件鎖相環(huán)控制，即采用上文所述的鎖相方式，最終得到一個(gè)穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的電網(wǎng)電壓相位，為系統(tǒng)整流及回饋?zhàn)鰷?zhǔn)備。由于ADS7864Y只有六路AD通道，所以母線電壓采用DSP控制器的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并根據(jù)采集到的母線電壓進(jìn)行判斷分析，當(dāng)電壓過高時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行回饋，當(dāng)電壓過低時(shí)，系統(tǒng)對(duì)基側(cè)進(jìn)行整流提升電壓。在這個(gè)過程中，最終體現(xiàn)到PWM波的輸出，PWM波的相位角度直接影響到系統(tǒng)性能，本文采用前饋解耦控制策略，即利用PI調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行解耦，最終以空間矢量PWM波的形式輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整流和回饋功能。軟件流程圖如下所示：

圖7 軟件流程圖

　　4 結(jié)論

　　本文將PWM整流逆變技術(shù)應(yīng)用于能量回饋裝置中，最終實(shí)現(xiàn)了能量的再生利用，并且保證了回饋到電網(wǎng)中的能量諧波含量低，功率因數(shù)高，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生“污染”，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的正確性和合理性，同時(shí)做到了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。