基于DSP实现的PWM整流回馈系统的设计

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摘 要：本文主要介绍了基于DSP实现的PWM整流回馈系统的设计。该设计可以做到输入电流正弦、单位功率因数、直流母线电压输出稳定，具有良好的动态性能并可实现能量的双向流动(即四象限运行)，最终给出实验波形，验证了系统的可行性。
　　1 引言
　　随着电网谐波污染问题的日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要，人们对PWM整流技术给予了越来越多的关注。PWM整流器可以做到输入电流 正弦、单位功率因数、直流电压输出稳定，具有良好的动态性能并可实现能量的双向流功，也就能够实现系统的四象限运行，即快速制动和能量回馈。与传统的整流 器(即不控整流或相控整流)相比，具有很多优点。本文主要通过系统方案的设计、软件和硬件等几个方面对系统进行研究和探讨，最终给出实验波形，验证了系统 的可行性。
　　2 设计方案
　　根据图1(系统框图)所示，系统主要分为三个部分：模拟信号采集、DSP控制器和PWM驱动电路。其中模拟信号采集部分主要完成对三相交流电 压、电流的采集和直流母线电压的采集;控制器通过采集到的模拟信号进行算法控制，最终产生预期的PWM波，进而通过驱动电路控制IGBT的通断，来实现了 整个系统的设计。
　　

图1 系统框图
　　作为PWM整流回馈系统，主要目的是实现单位功率因数、稳定直流母线电压输出和能量的双向流动，下面针对这三个方面对系统进行探讨和研究：
　　为实现整流和能量回馈的功率因数为1，同时也减少了对电网的污染，首先应该对三相电压进行锁相，这样可以保证在整流时的电流相位和电压相位同相 和能量回馈时电压相位和电流相位相差180度，因此锁相的精度直接影响到整流和回馈时的质量。锁相环的设计，可以分为硬件锁相环和软件锁相环，采用硬件锁 相环需要在系统上增加新的硬件，同时也增加了成本，因此，在本设计中采用软件锁相技术。
　　

图2 电压矢量相位图
　　如图2所示，当电网电压幅值Us不变时，Uq直接反应了d轴与电网电压Us的相位关系，当Uq>0时，d轴滞后于电网电压Us;当 Uq<0时，d轴超前于电网电压Us;当Uq=0时，d轴与电网电压Us同相。基于上述分析，设计如下锁相环。首先虚拟一个同步角度，使其角速度与 电网电压相同，然后利用该角度对三相输入电压进行CLARKE变换和PARK变换，使电压矢量从三相静止坐标系变换到两项旋转坐标系中，同时令q轴电压的 参考值为零，并将q轴电压值和参考值送入PI调节器，PI调节器输出为同步角度与虚拟同步角度的误差，并将其输出对虚拟同步角度进行补偿，再利用补偿后的 角度进行PARK变换，这样构成一闭环控制，最终实现了软件锁相环。
　　

图3 锁相环结构框图
　　为实现母线电压输出的稳定，同时实现能量的双向流动，即当母线电压高于期望值时，能量回馈电网，当母线电压低于期望值时，能量流向基侧，进行升 压。在这个环节中，采用双闭环控制，即电流环和电压环控制。如图5所示，电压环作为外环控制，根据给定电压和实测母线电压的关系，通过PI调节后，计算出 电流的给定值;电流环作为内环控制，根据外环计算出的电流给定值，进行闭环控制，最终实现了单位功率因数整流和回馈。对三相交流信号进行闭环控制是很困难 的，精度也不高，因此，我们采用矢量分解的方式，将三相交流信号从静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，并对d轴和q轴信号进行控制。
　　

图4 整流器交流侧稳态矢量图
　根据图4所示，可得出PWM整流器数学模型：

　　由上式可以看出，变换器交流侧电流的d、q轴分量存在着相互耦合项，无法对电流的d、q轴分量进行单独控制，给控制器的设计造成一定困难，为此，本文采用前馈解耦控制策略，利用PI调节器对其进行解耦。解耦的具体过程如图5的虚线部分所示。
　　

图5 双闭环控制结构图
　　3 系统设计
　　本文采用TI公司的TMS320C2812作为主控制器，ADS7864Y作为模拟信号采集器对三相电压和三相电流及直流母线电压进行采集，并采用一片CPLD进行系统的逻辑控制，系统的硬件框图如下图所示。
　　

图6 硬件系统框图
　　由DSP控制器周期的控制AD转换器，对三相电压及三相电流进行采集，同时对母线电压进行采集，将采集到的三相电压信号进行软件锁相环控制，即 采用上文所述的锁相方式，最终得到一个稳定的、准确的电网电压相位，为系统整流及回馈做准备。由于ADS7864Y只有六路AD通道，所以母线电压采用 DSP控制器的内部AD转换器进行转换，并根据采集到的母线电压进行判断分析，当电压过高时，系统对电网进行回馈，当电压过低时，系统对基侧进行整流提升 电压。在这个过程中，最终体现到PWM波的输出，PWM波的相位角度直接影响到系统性能，本文采用前馈解耦控制策略，即利用PI调节器对其进行解耦，最终 以空间矢量PWM波的形式输出，实现系统的整流和回馈功能。软件流程图如下所示：
　　

图7 软件流程图
　　4 结论
　　本文将PWM整流逆变技术应用于能量回馈装置中，最终实现了能量的再生利用，并且保证了回馈到电网中的能量谐波含量低，功率因数高，不会对电网产生“污染”，验证了系统方案的正确性和合理性，同时做到了经济、环保、节能，具有良好的经济效益和社会效益。