基于TMS320F2812的三相整流器設(shè)計(jì)研究

摘要：詳細(xì)論述了SVPWM(空間矢量調(diào)制)的基本原理，給出了一種基于DSP實(shí)現(xiàn)的三相PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且應(yīng)用了TMS320F-2812，給出了一臺(tái)原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：PWM整流器；電壓空間矢量；數(shù)字信號(hào)處理器

O 引言
    PWM整流器與傳統(tǒng)的不控整流或相控整流相比，具有功率因數(shù)高，輸入電流正弦波形好，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是一種真正的“綠色電源”，一直成為研究的重點(diǎn)。在對PWM整流器的研究過程中，學(xué)者先后提出了多種控制方案，其中SVPWM(空間矢量調(diào)制)以其具有直流電壓利用率高、可以快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而備受研究者們的關(guān)注。
    本文在分析了電壓空間矢量控制原理的基礎(chǔ)上，提出了一種便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的控制算法。該算法采用輸入電壓空間矢量定向，直接計(jì)算空間電壓矢量的位置和作用時(shí)間，同時(shí)利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)三相PWM整流器空間矢量的全數(shù)字控制。本文介紹了其系統(tǒng)組成及控制原理，最后給出了實(shí)驗(yàn)波形。

1 空間矢量脈寬調(diào)制原理
    圖l是三相電壓型整流器(VSR)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常相似，因而可以把3個(gè)電感L和電網(wǎng)輸入整體看作是一個(gè)交流電機(jī)模型，并把類似于三相交流電機(jī)的空間矢量控制方法用到三相VSR的控制中來。

    設(shè)電網(wǎng)的三相電壓分別為：
  
    那么，根據(jù)定義的開關(guān)函數(shù)，其空間矢量共有8種工作狀態(tài)：(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、 (101)、 (110)、 (111)，即V0～V7。電壓空間矢量的分布位置如圖2所示。事實(shí)上，空間矢量PWM控制就是通過分配電壓空問矢量(尤其是零矢量)的作用時(shí)間，以最終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，從而實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡。[!--empirenews.page--]
    現(xiàn)以圖2中的V*矢量所處的位置為例，產(chǎn)生PWM輸出的一個(gè)簡便方式就是利用扇區(qū)I的相鄰矢量V4和V6，使其各自工作部分時(shí)間，從而使平均輸出滿足參考矢量的要求。

2 SVPWM的實(shí)現(xiàn)
    實(shí)現(xiàn)三相電壓型整流器的SVPWM調(diào)制時(shí)，一般應(yīng)先計(jì)算電壓空間矢量V*：再判斷V所在的扇區(qū)；然后根據(jù)扇區(qū)分配矢量與作用時(shí)間來生成
三相PWM信號(hào)。
    計(jì)算合成電壓矢量V*可根據(jù)前面的分析來進(jìn)行。而對于扇區(qū)的確定，則應(yīng)計(jì)算電壓合成空間矢量的區(qū)間號(hào)N，為此，可定義一種新的二相到三相的變換，其中uα、uβ為空間矢量V*在α、β軸上的坐標(biāo)值。其變換如下：
   
    若：A>0，則X=l，否則X=O；
        B>0，則Y=1，否則Y=0：
        C>0，則Z=1，否則Z=0；
    設(shè)N=X+2Y+4Z，那么：
    若N=3，則V*位于圖2中的I扇區(qū)：
    N=1，則V*位于圖2中的II扇區(qū)：
    N=5，則V*位于圖2中的III扇區(qū)：
    N=4，則V*位于圖2中的IV扇區(qū)：
    N=6，則V*位于圖2中的V扇區(qū)：
    N=2，則V*位于圖2中的VI扇區(qū)。

3 各矢量作用時(shí)間的計(jì)算
    根據(jù)參考電壓，可直接計(jì)算空間矢量在各扇區(qū)的工作時(shí)間。若以圖2所示的位置為例，則參考電壓V*可由其所在扇區(qū)的兩個(gè)相鄰矢量V4和V6合成。即：
   
    式中，t4、t6分別為矢量V4、V6的作用時(shí)間；T0為采樣周期的一半，即Ts／2；V*cosθ為參考電壓在α軸的分量；V*sinθ為參考電壓在β軸的分量。
    化簡上式得：
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    根據(jù)等式兩端虛部與虛部相等，實(shí)部與實(shí)部相等的原則，可以得出t4與t6的值：
   
    依據(jù)同樣的方法，便可以求得其他扇區(qū)內(nèi)的矢量安排時(shí)間，為便于觀察運(yùn)用，在此定義三個(gè)量T1、T2、T3：
   
    對于不同的扇區(qū)，Tx、Ty可按表l所列來進(jìn)行取值。Tx、Ty賦值后，還要對其進(jìn)行飽和判斷。若Tx+Ty>T，則?。?br />    Tx=TxT／(Tx+Ty)
    Ty=T2T／(Tx+Ty)

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4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    控制電路是該整流電路的重要部分，控制電路品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響本整流電路的性能。三相電壓型整流器控制系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。它在電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓，并給電流內(nèi)環(huán)提供指令電流；而電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)指令電流進(jìn)行電流快速跟蹤控制。電流參與控制提高了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)具有電流控制精度高、限流容易等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為三相PWM整流器的雙閉環(huán)控制原理。

    筆者在基于理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)功率為1 kW的三相可逆整流裝置。該裝置的交流側(cè)采用三相電壓輸入，每相50 V／50 Hz，電感為12 mH。直流側(cè)參數(shù)為：負(fù)載50 Ω、輸出直流電壓150 V，電容2200μF。圖4給出了阻性滿載、半載、輕載情況下的三相輸入電流及輸入電壓的波形圖。

5 結(jié)束語
    根據(jù)本文的分析和實(shí)驗(yàn)波形，可以得出以下結(jié)論：
    (1)隨著負(fù)載變輕，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應(yīng)的降低了。
    (2)在負(fù)載變輕的同時(shí)，輸入電流的THD也隨之增加了，說明系統(tǒng)的電流跟蹤效果變差了。
    (3)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，系統(tǒng)在重載工作時(shí)效率較高。而隨著負(fù)載的減輕，系統(tǒng)的效率也下降。這是因?yàn)殡娐反嬖诠逃袚p耗，輕載時(shí)固有損
耗所占的比重較大，所以效率較低。而加載后，其所占比重逐漸減小，所以效率也相應(yīng)的增加。