基于dsp的三相pwm整流控制方法

基于dsp的三相pwm整流控制方法

1双向dm特性随着电力电子仪器的继续用于不同的领域，大量使用的无控制沉默和相位滤波设备对电网的声波污染非常严重。应用三相PWM整流技术不仅减少了电流波形的畸变，提高了功率因数，还能实现能量回馈。在三相PWM整流的控制技术中，较常见的控制方法有：幅值相位控制、平均电流控制和滞环电流控制。幅值相位控制的功率因数高低依赖于对主电路阻抗测量的准确度，其动态特性较差。平均电流控制和滞环电流控制都属于直接电流控制，它们的区别在于电流环的设计不同，前者基于PI调节，后者基于BangBang控制。应用瞬时功率控制方法的PWM整流器，因其内部省去了电流环，减少了参数调试，提高了动态响应速度，在实现数字化时无需dq旋转坐标变换。2系统的组成、战略的执行和改进2.1电容功率和负载rl图1示出系统主电路。它属于Boost型电路拓扑，由输入电感L、电感内阻R、IPM功率模块、输出端电容C和负载RL构成。IPM模块采用三菱公司的PM75CSAl20，它集成了6个桥臂的IGBT管和过流、驱动、欠压等保护电路，最高工作频率达20kHz。2.2fpga控制器为满足系统与变频调速系统功能的结合，实现单CPU控制AC/DC/AC，要求CPU有较高的计算速度。为此，选用TI公司的TMS320LF2407处理器。该款DSP芯片与240型号的芯片相比，有更快的CPU计算速度(最高33ns/指令)。该芯片内部集成了16通道高速A/D模块(最少500ns);12路全比较PWM输出通道，适合控制双IPM模块结构的系统。同时，芯片内带32K的FLASH程序存储器，544字的双口RAM,4个定时器，这些资源能简化DSP外围电路的扩展。该系统传感器的种类有：2个霍耳电流传感器，2个交流电压互感器，1个直流电压隔离放大器。采用二阶有源滤波电路，仅对电压互感器输出的模拟信号进行处理，以提高系统的抗干扰能力。2.3桥臂开关情况表征定义开关函数Sa,Sb,Sc。Sa=1代表A相上桥臂导通，Sa=0代表A相下桥臂导通。同理，Sb,Sc分别代表B相和C相桥臂的开关情况。若电网电压对称，整流器数学模型为：2.4整流器的仿真传统的有功功率、无功功率都是定义在平均值基础上的，它们只适用于电压、电流为正弦波的情况；而瞬时功率的概念对正弦、非正弦电压和电流的情况都适用。瞬时有功功率p和瞬时功功率q表示为：θu，θi———电压、电流矢量与α轴的夹角根据α，β坐标系和三相静止坐标系之间的转换关系，三相静止坐标系下的瞬时有功功率、无功功率如下：图2示出瞬时功率控制系统图。因为期望得到整流器的功率因数为1，所以设定参考无功功率qref=0。式中pref,qref———参考有功功率和参考无功功率若Δp>0，则期望IPM开关动作能使p增加，反之Δp<0，则期望能使p减少。若Δq>0，则期望开关动作能使q增加，反之Δq<0，则期望使q减少。令Sp=1，代表Δp>0;Sp=0，代表h<Δp<0;Sp=-1，代表Δp<h。令Sq=1，代表Δq>0;Sq=0，代表Δq<0，其中h为功率带宽。三相PWM整流器有6个有效空间电压矢量(V1～V6)和两个零矢量(V0,V7)。图3示出空间电压矢量与α，β坐标系的相对关系。参照矢量的位置分为12个工作区间。结合图3和开关状态表，在每个采样周期Ts可确定一个电压矢量Vx，作为DSP的输出信号。表1示出传统开关状态表在θ1，θ2两个区间中选择电压矢量的方法。图4a通过仿真得到表1作用下电网侧电流的波形，电流含有明显的低次谐波的成分。为改善交流电流波形，专门设计了一种新型的开关状态表。表2示出新型开关表的一部分，给出了θl，θ2两个区间的电压欠量分配情况，θ3～θ12区间的开关状态可依次类推。图4b为新型开关状态表作用下的电流仿真波形，可见，采用新状态表后电流的谐波含量明显减少。2.5突加负载时的动态响应快速的动态响应可减少直流电压的波动量，选用容量更小的直流滤波电容，可节约成本和体积。图5示出突加负载时的动态响应曲线。可见，瞬时功率控制PWM整流所提供的动态性能良好。仿真参数：线电压峰值Um=537V，直流电压参考值Uref=560V,C=2000μF,L=12mH,R=0.1Ω，采样周期Ts=30μs，负载RL从280Ω突变到140Ω。2.6合成电压矢量初始位置a设电网三相平衡，且只考虑基波分量：电网电压空间矢量表示如下：以uab由负到正的过零点为参考点，而相电压ua的相位落后uab为30°，所以在参考点处有ωt=-30°。由式(8)得合成电压矢量初始位置落后a(下转第44页）轴120°。确定参考位置后，合成矢量位置的区间号θ，由12nTs/T+1取整得到，其中，n为采样次数，Ts为采样周期，T为电网电压周期。2.7区间的判断是否影响区间的判断近似认为，电网频率在小范围内波动对工作区间的判断没有影响。当波动量比较大时，可实时调整每个工作区间的长度，从而保证每个电网周期T被等分为12个工作区间。2.8缺相发生的情况每个周期有两次出现│uab│<H(H为接近零的正数)，若在这两个时间段内读取的ubc=0，则认为有缺相发生；或│ubc│<H时，读取的uab=0，也同样认为有缺相发生。3a/d转换芯片设置A/D采样频率fs=30kHz，直流电压参考值Uref=150V，交流线电压峰值Um=128V。图6示出A相稳态电流、电压波形，电流波形接近正弦，并且电流、电压相位保持一致。图中电流波形峰值附近的高频毛刺量比较明显，主要原因：(1)对电流的控制存在一定的滞后时间；(2)每个中断周期只能选择单一的电压矢量。减少A/D转换的滞后时间和缩短中断周期可降低高频毛刺含量；采用12位A/D转换芯片能减少量化误差引起的功率波动，改善控制效果。但是从限制IPM的最高开关频率，简化硬件电路的角度考虑，选择了30kHz的中断频率和自带DSP的10位A/D转换模块。4新型开关状态表的试验