基于DSP的能量可控双向流动PWM整流器研究

李文庆 杨立波 丁云飞 商怀昊 林 猛

(大连光洋科技工程有限公司，辽宁大连116600)

目前交流电气传动变频驱动系统已应用于大量工业场合，而驱动系统驱动的对象大都为感性负载。由于负载特点，驱动系统的用电必是脉冲电流形式，如此一来将会给电网带来较大的污染;另一方面驱动系统的大部分负载为电动机，当电动机处于发电状态时，电能又被回传到驱动系统的电源部分。针对这个问题，传统解决方法是通过电阻耗能，但这种方法势必导致能源的大量浪费。如果在变频驱动系统的整流器中采用PWM整流器(图1)，就可以从根本上解决以上问题，使输入电流接近正弦波且相位可控，其输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些高次谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1，减少了对电网的公害。

1 三相PWM整流器系统模型及工作原理

1.1 控制模型

根据基尔霍夫电压定律，以电感电流为状态量罗列数学方程

在三相静止坐标系下，三相电压和三相电流全存在耦合。通过坐标变换可以简化系统模型，将三相静止坐标系abc变换到两相旋转d－q坐标系，其中d轴与三相电压合成矢量方向重合且以角速度ω逆时针同步，q轴超前d轴90°。三相VSR采用电压控制外环和电流控制内环的双闭环控制方法。电压外环的作用是维持直流母线电压的恒定，根据直流电压的大小决定三相PWM整流器输出功率的大小和方向，输出为电流的给定信号。电流内环的作用是使整流器的实际输入电流能够跟踪电流给定，实现单位功率因数控制。

2 软、硬件关键设计技术

2.1 硬件关键设计技术

采用32位DSP(TMS320F2812)作为硬件平台的核心处理元件。TMS320F2812高性能的数字信号处理器(DSP)，采用低功耗设计，系统时钟频率高达150 MHz。内部包含32×32位的硬件乘法器，改进的哈佛架构，独立的程序和数据访问总线，统一的内存寻址模式，可支持4 M×16位的存储空间，并集成2个电动机控制专用外设(Event Managers，EVA，EVB)，以简化控制系统的硬件结构。相比原来采用16位定点格式的系统，采用32位定点格式时，可显著减弱或消除数字量化误差导致的影响。在实际系统中，由于16位定点格式的量化误差较大，易导致数值计算中的伪瞬态和振铃现象，从而引起系统振动和噪声。并且，随着系统采样频率的提高，16位字长的限制也会导致系统过程中有关变量、系数等的分辨率降低，从而恶化系统控制性能。而采用32位定点格式时，就可显著减弱或消除这些现象，允许采用更高的采样频率，从而提高系统的带宽，以获得更佳的系统控制性能。采用智能功率模块IPM作为核心功率放大器件。智能功率模块是把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路、保护电路和检测电路组装在一起，主要完成信号放大、功率放大和各种保护(包括过电流保护、短路保护、超温保护及欠压保护等)功能。将超温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成在1个模块之中。该硬件设计中充分应用了IPM的报警信号，将报警信号送给系统中核心芯片DSP，可以封锁PWM控制信号，使得在正常运行过程中，即使遇到各种原因导致的短路，都可以进行实时保护，保证硬件电路不受损坏。硬件框图如图2所示。

2.2 软件关键设计技术

PWM整流部分的软件设计基于PWM整流器的解耦控制，包括主要以下几个部分:坐标变换、SVPWM波形产生、A/D转换和数字PI调节器的实现。PWM整流器的软件设计框图如图3所示。三相PWM整流器采用电压控制外环和电流控制内环组成的双闭环控制系统。电压外环的作用是根据直流电压Vdc的大小决定三相PWM整流器输出功率的大小和方向以及三相电流给定信号。电流内环的作用是使整流器的实际输入电流能够跟踪电流给定，实现单位功率因数或功率因数可变。

3 结语

PWM整流器系统因其具有输入电流正弦性好，可获得单位功率因数，并且随着电力谐波治理和无功补偿技术的发展，三相高功率因数PWM整流器的开发已成为大功率AC－DC可逆变换器的最佳选择，也是AC－DC－AC可回馈变频器的核心。本文也是为改进己有的直流电源控制装置和正在研制的变频调速装置而提出的具有前瞻性和先导性的作用。

［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.3版.北京:机械工业出版社，2003.

［2］王广雄，何朕著，陈新海.控制系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制［M］.北京:机械工业出版社，2003.