三相电压源型PWM整流器的DSP控制精.docx

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三相电压源型PWM整流器的DSP控制精

ＥＩ．ＥＣＴＲｌＣＤＲＩＶＥ２００８Ｖ０１．３８Ｎｏ．６

电气传动２００８年第３８卷第６期

三相电压源型ＰＷＭ整流器的ＤＳＰ控制

周京华，刘坤，李正熙

（北方工业大学机电工程学院，北京１０００４１）

摘要：

描述了三相电压源型ＰＷＭ整流器的工作原理，基于整流器网侧电流矢量推导出同步旋转坐标系下系统的数学模型，给出了一种电流前馈解耦控制算法。

同时详细介绍了基于电流前馈解耦的ＰＷＭ整流器双环控制系统设计方法。

并且应用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ建立了ＰＷＭ整流器的ＤＳＰ数字化实验系统。

实验结果表明，该整流器能获得单位功率因数的正弦输入电流、稳定的直流输出电压和快速的动态响应。

关键词：

前馈解耦；双环控制；数字信号处理器中图分类号：

ＴＰ４６１

文献标识码：

Ａ

ＤＳＰＣｏｎｔｒｏＩｏｆＴｈｒｅｅＰｈａｓｅＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅ

ＺＨＯＵ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ

ＰＷＭ

Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ

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Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅｗｏｒｋｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅ

ｓｏｕｒｃｅ

ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｔｈ

ｃｕｒｒｅｎｔｖｅｃｔｏｒ

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ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。

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ｆａｓｔｄｙｎａｍｉｃ

ｒｅｓｐｏｎｓｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｆｅｅｄ—ｆｏｒｗａｒｄｄｅｃｏｕｐｌｅ；ｄｏｕｂｌｅｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）

１

引言

随着电力电子技术的发展，ＡＣ／ＤＣ变换器即

既可运行于单位功率因数，也可完成无功补偿，实现了网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）；３）能量可在交流侧、直流侧问双向流动，实现了电能的双向传输；４）具有较快的动态响应。

ＰＷＭ整流器可分为单相、三相，电压源型、电流源型等，其中，三相电压源型ＰＷＭ整流器应用最为广泛‘¨。

本文对三相电压源型ＰＷＭ整流器的工作原理进行了简单描述，并且基于整流器网侧电流矢量推导出同步旋转坐标系下系统的数学模型。

通过对数学模型的变换和化简，给出一种电流前馈解耦控制算法。

基于这种算法，本文对ＰＷＭ整流器电流前馈解耦的电流内环和电压外环的设计进行了详细的描述。

在双环控制算法的基础上，基于ＴＩ公司的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ建立了ＰＷＭ整流器的数字化实验系统。

通过实验波形得到的结果表明：

在前馈解耦控制算法下，

整流器已被广泛应用于微电子电源供电，电池管理系统，电机驱动等场合。

传统的整流器由二极管或晶闸管组成，二极管整流器可以实现电流的交直流变换，晶闸管整流器则可以用来控制能量的传输。

然而，这一类整流器会产生大量的谐波和无功功率，对电网造成污染。

虽然有源电力滤波器等装置可以减小网侧电流谐波，但是这种方法会使整流装置的体积和成本大大增加。

针对上述不足，ＰＷＭ整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进，用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以ＰＷＭ斩控整流取代了相控或不控整流。

因此，ＰＷＭ整流器可以取得以下优良性能：

１）输入电流高度正弦化，即网侧电流为正弦波；２）输入功率因数可调，

基金项目：

北京市教委面上项目基金资助（ＫＭ２００７１０００９００４）

作者简介：

周京华（１９７４－－）。

男，博士，讲师，Ｅｍａｉｌ：

ｚｊｈ＠ｎｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

２７

万方数据

电气传动２００８年第３８卷第６期整流器能获得单位功率因数的正弦输入电流、稳定的直流输出电压和快速的动态响应。

２

ＰＷＭ整流器的数学模型

三相ＰＷＭ电压源型整流器交流侧采用三相

对称的无中线连接方式，用６个功率开关管构成，如图１所示。

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图１三相电压源型ＰＷＭ整流器

Ｆｉｇ．１

Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅ

ｓｏｕｒｃｅ

ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ

它适用于三相电网平衡的系统，是一种最常用的ＰＷＭ整流器。

利用电路基本定律（基尔霍夫电压、电流定律）对ＰＷＭ整流器建立一般数学描述，可以得到电压源型ＰＷＭ整流器的数学模型为

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周京华．等：

三相电压源型ＰｗＭ整流器的ＤＳＰ控帝ｌ

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图２电流矢量Ｊ从三相静止坐标系到

两相同步旋转坐标系上的变换

Ｆｉｇ．２

ＴｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｕｒｒｅｎｔｖｅｃｔｏｒＩｆｒｏｍｔｈｒｅｅ

ｐｈａｓｅ

ｓｔａｔｉｃ

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ｎｉｚａｔｉｏｎ

ｒｏｔａｔｉｎｇ

ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ

３

ＰＷＭ整流器前馈解耦控制策略

由式（４）可以看出，整流器相与相之间存在强耦合作用，给控制系统的设计造成一定困难。

为此，需要采用前馈解耦控制［４］。

在稳态时，同步旋转坐标系（ｄ，ｑ）上的电流ｉ。

，ｉ。

为一个恒定不变的常量，所以其导数为０。

忽略网侧等效电阻后，可

将式（４）简化为

馁篡ｅｈｄ

㈣

在式（５）的基础上，加入电流ｉ。

，ｉ。

的前馈环节，通过ＰＩ调节器进行控制，可得到（ｄ，ｇ）坐标系

上的电压Ｕ。

和Ｕ。

改进的表达式为

ｆ“ｄ一一（ＫＰ＋垒）（西一ｉｄ）＋（也ｉ。

＋幻

Ｊ

。

５，

（６）

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＝一（ＫＰ＋争）（碍一ｉｑ）一ｃｏＬｉｄ＋岛

式中：

Ｋ，，Ｋ。

分别为电流内环比例和积分调节增益；ｉ；，ｉ：

分别为电流指令值。

将式（６）带入式（４），并进行简化，可以得到ＰＷＭ

整流器在两相同步旋转坐标系（ｄ，ｑ）上实现电流

前馈解耦后的数学模型为

ｄ矿ｉ＿＿Ａｄ一缸Ｒ一（Ｋ，＋铷卜圭（Ｋ，＋争瑚

誓一一丢［Ｒ一（Ｋ，＋等师。

～ｒ１（ＫＰ＋等ｗ

（７）

通过式（７）可以看出，基于电流前馈的控制算

周京华，等：

三相电压源型ＰＷＭ整流器的ＤＳＰ控制

法使得电流ｉ。

，ｉ。

的控制互不影响，式中的电流指令值珏和ｉ彳分别为系统输入有功电流和无功电流。

这样就可以实现ＰＷＭ整流器网侧有功和无功分量无耦合、独立控制，即实现了电流内环的解耦控制，从而降低了控制系统设计的难度，便于电流调节器的设计。

基于以上的公式推导，可以得到三相ＰｗＭ整流器电流内环的控制模型如图３

所示。

图３三相ＰＷＭ整流器电流内环的控制模型

Ｆｉｇ．３

Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｒｎａｌｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｍｏｄｅｌｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅ

ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ

４

基于ＤＳＰ的控制系统设计

三相电压源型ＰＷＭ整流器一般采用电压控

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

流电压玑。

的大小决定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。

４．１电流环设计

为了实现输入功率因数为１，令图３中无功电流分量茗一０，将式（７）进行拉氏变换，得到电流解耦后的系统内环传递函数框图如图４所示。

图４

电流内环传递函数方框图

盹４

ＴｈｅｂｌｏｃｋｄｈｇｒⅡｎ

ｏｆ删ｔ

ｉｎｔｅｒｎａｌｌｏｏｐ＇ｓｔｒａｎｓｆｅｒｆｉ．ａ＇ｒｌＪｏｎ

图４中Ｇ讨（５）为电流ＰＩ调节器的传递函数，１／（Ｒ＋ｓＬ）为控制模型的传递函数。

由式（６）可知，Ｇ。

（ｓ）一Ｋｒ＋（Ｋ。

／ｓ），从而得到电流内环的闭环传递函数Ｇｃ。

（ｓ）为

万方数据

Ｇ“泸丽纛‰

电气传动２００８年第３８卷第６期

（８）

如果选取合适的电流调节器参数，使得Ｋｒ＝

Ｋ。

（Ｌ／Ｒ）一Ｋ，Ｔ“，式（８）可以化简为

Ｇｃ＿讨（ｓ）一再磊

‘９）

式中：

瓦为此惯性环节的时间常数。

由式（９）可以看出，经过前馈解耦后的电流内环闭环传递函数可以作为一阶惯性环节，因此可以按典型Ｉ型系统进行设计。

４．２电压环设计

对于电压外环的设计，可按图５所示的电压环控制系统框图得到。

图５三相电压源型ＰＷＭ整流器双环

控制系统传递函数框图

Ｆｉｇ．５

Ｔｈｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅ

ｔｗｏ

ｌｏｏｐｓｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ７Ｓｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅ

ｓｏｕｒｃｅ

ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ

电压环ＰＩ调节器传递函数Ｃ，ｖ（ｓ）＝ＫｖＰ＋Ｋ竹／ｊ，电流内环传递函数Ｇｃ＿“（５）由式（９）给出。

忽略负载扰动，可以得到整个双环控制系统的开环传递函数为嘲

Ｇｏ＿ｖ∽一丛掣

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Ｋ¨（Ｆ／ｋｖｐｓ＋１）

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考虑到电压外环的主要作用是抑制三相ＰＷＭ整流器直流母线电压的波动，故系统整定时，应着重考虑电压环的抗扰动性能，因此可以按照典型Ⅱ型系统设计电压调节器。

经过电流内环和电压外环的设计，得到基于前馈解耦的ＰＷＭ整流器双环控制系统框图如图６所示。

４．３控制系统ＤＳＰ实现

控制系统主要采用Ｔｌ公司生产的ＴＭＳ一３２０ＬＦ２４０７Ａ数字信号处理ＤＳＰ芯片进行设计，ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是ＴＩ公司专门为控制应用而设计的，片上集成了高性能的ＤＳＰ处理器和丰富的外围设备。

根据前文所述的控制算法和图６所示的控制系统框图，可以将ＰＷＭ整流器ＤＳＰ控制实现框图表示为图７。

２９

电气传动２００８年第３８卷第６期图６前馈解耦控制系统结构框图

Ｆｉｇ．６

Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅ

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液晶电路

显示

图７用ＤＳＰ实现的控制系统结构框图

Ｆｉｇ．７

Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ｂｌｏｃｋ

ｄｉａｇｒａｍ

ｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙＤＳＰ

从图７可以看出，采用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作为ＰＷＭ整流器的控制芯片，由于其含有丰富的片内外设，大大简化了硬件电路的设计，这也使得硬件电路和控制策略的修改非常方便。

整个系统的软件采用模块化设计，通过调用子程序和接受、处理各种中断来完成ＰＷＭ整流器的控制，其软件模块示意图如图８所示。

其中电压外环算法在定时器２的下溢中断服务程序中完成；电流内环算法在定时器１的下溢中断服务程序中完成。

Ｆ翮

功率驱动｜｜同步信号｜｜通用定时器ｌＩｌ通用定时器２Ｉｌ外部中断｜｜子程

保护中断Ｉｌ中断模块ＩＪ下溢中断｜ｌ下溢中断¨程序ＩＪ序库

图８控制系统软件实现程序模块图

Ｆｉｇ．８

Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ

ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅ

ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

３０

万方数据

周京华，等：

三相电压源型ＰＷＭ整流器的ＤＳＰ控制

５

实验结果及结论

根据前文所述的方法，在构建的ＤＳＰ数字化

实验平台上对ＰＷＭ整流器前馈解耦控制进行实验验证，取交流输入电压有效值为２００Ｖ，直流给定输出为４５０Ｖ，电感Ｌ＝３０ｍＨ，直流侧电容

Ｃ一１

１２０ｐＦ，负载ＲＬ＝６５０Ｑ。

电压环的ＰＩ参数

设置为：

ＫｖＰ一０．０２，Ｋｖｌ＝０．０５；电流环ＰＩ调节器的参数设置为：

Ｋ，＝０．０６，ＫＩ＝０．０５。

电压环

采样频率为１ｋＨｚ，电流环采样频率为５ｋＨｚ。

得到实验结果如图９～图１１所示。

图９是主电路中所有ＩＧＢＴ均关断的情况下（由二极管整流）的直流母线电压和输入相电流波

形。

从图９中可以看出，相电流含有较多的低次谐波，对电网产生了很严重的谐波污染。

吆

．／

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ⅣＶｍ

ａｍｓ（１０ｍｓ，格）

图９

上电稳定后不进行控制时的母线电压和相电流波形

Ｆｉｇ．９

Ｔｈｅｂｕｓ

ｖｏｌｔａｇｅａｎｄ

ｐｈａｓｅ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｏｆＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ

ｉｎ

ｓｔａｂｌｅｓｔａｔｅ

ｗｉｔｈｏｕｔｃｏｎｔｒｏｌ

图１０是启动和停止ＰＷＭ控制的动态波形，其中上半部分波形为直流母线电压（启动后，直流母线电压稳定在４５０Ｖ），其中下半部分波形为相电流。

可以看出，直流母线电压和相电流具有良好的动态性能。

ｔ／ｍｓ（５００ｍｓ档１

图１０

ＰＷＭ整流器启动和停止时的波形

Ｆｉｇ．１０

Ｔｈｅ

ｗｆｌｖｅｆｏｍ

ｗｈｅｎＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ

ｓｔａｒｔｏｎ

ａｎｄｏｆｆ

图１１是启动ＰＷＭ控制之后的相电压和相电流的波形，可以看出，相电压和相电流同相位，电流正弦度较好，达到了单位功率因数的设计要求。

（下转第５１页）

卢燕，等：

高炉热风炉监控系统电气传动２００８年第３８卷第６期

加名称为ＳＩＭＡＴＩＣ

Ｓ７ＰＲＯＴＯＣＯＬＳＵＩＴＥ的

消了传统的开关操作台和二次仪表显示盘，由功能强大的ＷｉｎＣＣ软件实现热风炉系统中各种设备操作和监视功能，提高了生产过程的自动化控制水平和设备操作运行的可靠性，同时也为进行同类监控系统的设计提供一些应用经验。

参考文献

驱动器，新建变量Ｔａｇ，将ＷｉｎＣＣ的外部变量与ＰＬＣ的ＤＢ块、位存储器和输入输出中的位或字连接起来，通过ＷｉｎＣＣ的内部函数实现和ＰＬＣ的数据交换。

４．２以太网通讯方式

硬件配置要求：

Ｓ７一．４００ＰＬＣ上需配置ＣＰ４４３—１以太网卡；上位机既可以安装ＣＰｌ６１３专用以太网卡，也可以安装普通的以太网卡。

ＷｉｎＣＣ与ＰＬＣ通过以太网建立连接的方法与前述的ＰＲＯＦＩＢＵＳ基本类似，十分方便，这里不再重复叙述。

在一个监控系统中可以同时配置以太网和ＰＲＯＦＩＢＵＳ网两种通讯网络，两个网络可以互为冗余。

本文介绍的系统就是同时采用这两种通讯方式的。

５

１苏昆哲．深入浅出西门子ＷｉｎｃｃＶ６［Ｍ］．北京：

北京航空航天

大学出版社，２００４．

２汪美霞，陈号．基于ＰＬＣ及ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线的炼铁高炉

集中监控系统ＥＪ］．山东建筑工程学院学报，２００４，１９（２）：

３３—

３４．

３周佳，鲍远慧，王华强．ＰＬＣ在在合钢３＃热风炉改造中的应

用［Ｊ］．自动化博览，２００６，２３（６）：

３０一３１．

４王艳阳，曲阳，田颖．梅山３＃高炉监控系统和过程计算机系

统［Ｊ］．冶金自动化，１９９６，２０（６）：

２２—２５．

５

ＫｅｎｎｅｔｈＲＭｕｓｋｅ．Ｂｌａｓｔ

ｉｎｇｓ

ＦｕｒｎａｃｅＳｔｏｖｅ

Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄ—

ｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ，１９９８：

结束语

本文介绍的监控系统是面向基础自动化，侧

３８０９—３８１０．

皈孺百丽互丽Ｆ丽

修改稿日期：

２００８－０１—２２

重于对设备的操作和显示。

采用监控系统后，取

（上接第３０页）

数字化实验平台实现，实验结果证明该ＰＷＭ整

薯

曼

流器具有良好的动态性能。

参考文献

１张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：

机械工业

出版社，２００５．

２

Ｃｈｅｎ

要

霎

莹

Ｙａｏ，ＪｉｎＸｉｎｍｉｎ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ

Ｓｏｕｒｃｅ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

ｏｆＴｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ

Ｅｌｅｅ—

Ｖｏｌｔａｇｅ

ｔｒｏｎｉｃｓ３

Ｙｅ

ＰＷＭＲｅｃｔｉｆｉｅｒ［Ｃ］．ＩＥＥＥ

Ｔｒａｎｓ．Ｐｏｗｅｒ

ａｎｄＭｏｒｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００６：

１—４．

Ｍ，Ｑｕｉｎｔａｎａ

ｆｏｒ

Ｖ

Ｙ，Ｋａｚｅｒａｎｉ

Ｈ．Ａ

ＮｏｖｅｌＭｏｄｅｌｉｎｇ

ａｎｄ

６

结论

本文描述了两相同步旋转坐标系（ｄ，口）上

ＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄ

Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ

ＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥ

Ｔｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ１０２—１０７．

４

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。

２００１．１：

ＰＷＭ整流器的数学模型，并针对两相电流如，ｉ。

之间存在的耦合关系提出一种新型的前馈解耦控制算法，然后在此算法基础上设计了ＰＷＭ整流器的双环控制系统。

通过对电流环的控制，可以实现网侧电流正弦化，并且可以实现单位功率因数控制；通过对电压环的控制，可以实现直流侧电压迅速稳定。

系统的双环控制由所构建的ＤＳＰ

ＡｚａｂＭ．ＤｅｃｏｕｐｌｅｄＣｏｎｔｒｏｌ

Ｔｈｒｅｅ

ｏｆＡｃｔｉｖｅａｎｄＲｅａｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒｆｏｒ

ＰｈａｓｅＰＷＭ

ａｎｄ

Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，Ｅ—

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４：

９０１——９０４．

ｌｅｃｔｒｏｎｉｅ

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

５徐金榜．三相电压源ＰＷＭ整流器控制技术［Ｄ］．武汉：

华中

科技大学控制理论与控制工程系，２００５．

皈福百两ｊ丽乒硒

修改稿日期：

２００８－０１－１９

５１

万方数据