基于DSP 的三相电压型PWM 整流逆变系统设计与应用

高丽红

（漳州城市职业学院电子信息工程系，福建 漳州 363000）

0 引言

现代多领域需大量变流装置，以转换电能频率、幅值和相位，提升经济效益。但这些装置依赖整流模块获取直流电压，传统二极管和晶闸管整流方式易产生谐波和无功功率，增加损耗，降低效率，影响供电质量。因此，整流逆变器的控制得到广泛关注，张薇琳等[1]采用扰动观测器进行三相逆变器的预测控制，可以提升逆变器的鲁棒性；杨兴武等[2]在传统FSCMPC（有限控制集模型预测控制）的基础上，引入功率跟踪目标函数进行PWM（Pulse Width Modulation）整流器的控制，可以解决传统控制技术采样频率较低、控制精度较差等问题；袁敞等[3]利用能量函数确定PWM 整流器无源性控制方法收敛速度慢的原因，从而提出一种新型控制策略。经众多学者的数十年研究，我国PWM 整流器技术逐渐成熟，但随着电网技术的高速发展，PWM 整流逆变器的主电路发生较大变化。同时，在PWM 整流器的主电路类型上，三相电压型成为主流，所以探讨三相电压型PWM 整流逆变系统设计与应用。

1 三相电压型PWM 整流逆变系统的硬件设计

1.1 数据采样芯片选型

综合考虑三相电压型PWM 整流逆变的实际情况，采用AMC1304M05QDWRQ1 芯片为系统的数据采样芯片[4]。在AMC1304M05QDWRQ1 芯片中，设置SDFM 模块（Sigma Delta Filter Module），各模块均配置独立的比较器与滤波器单元，在接收采样电路输出的数据流后，通过32 位数字滤波器输出，所以该芯片的四通道数字滤波器模块[5]。其外围采样电路如图1。

图1 芯片外围采样电路示意图

1.2 DSP 控制芯片选型

在根据上述芯片完成电压与电流信号的采样工作后，利用DSP 控制芯片对信号进行处理，所以本章探讨系统DSP（Digital Signal Processing/Processor）控制芯片的选型。采用TMS320FDSP28335 芯片作为控制芯片，技术指标见表1。

表1 DSP 控制芯片技术指标

2 三相电压型PWM 整流逆变系统的软件设计

2.1 双闭环串级控制策略设计

滑模变结构基于状态空间线性系统，较传统方式有更高稳态精度和动态响应能力，其控制原理如下式：

式中，Y为一维非线性系统；f为状态变量函数；X为状态变量；g为控制律；t为时间。在式（1）所示的滑膜变结构中，关键在于控制律的选择，采用下式的常值切换控制律：

式中，g0为未知的常数；sgn 为符号函数，取值为-1，0，1；h（X）为滑膜切换面函数。利用滑模变结构进行三相电压型PWM 整流逆变电压外环控制时，先确定滑膜切换面函数，再结合PWM 电压变量切换控制规律，获得一维非线性控制参数。设计一种解耦控制方式，三相电压型PWM 整流逆变系统在dq坐标下的数学模型，其d、q两轴为耦合状态，电流内环控制策略时需对d、q两轴的变量进行解耦操作，已知：

式中，Ud、Uq分别为d、q两轴的输出电压值；kp、kd分别为电流内环控制结构的比例系数与积分系数这两个PI 参数；D为控制度；Idref、Iqref分别为d、q两轴的输入电流；Id、Iq分别为d、q两轴的电流变量；ω为权值；L为电感；ed、eq分别为d、q两轴的控制误差。根据式（3）看出，三相电压型PWM 整流逆变的d、q两轴方程中均包含对方轴的变量，所以通过解耦控制来获取电流内环控制策略的PI 参数，在解耦过程将电流内环看成具有反馈的闭环结构，按典型Ⅰ型控制结构的开环传递函数，进行电流内环传函的零极点对消后，即可求解出PI 控制参数，表达式如下：

式中，R为内环等效电阻；τ为内环中电流采样周期的延时；T为PWM 开关周期。

2.2 电压空间矢量调制算法设计

引入SVPWM 算法，将电压空间矢量调制为脉冲信号，采用脉冲信号来驱动开关器件。首先对双闭环串级控制策略得到的电压空间矢量来说，将其映射在三相坐标系（a，b，c）下产生相应投影，再根据投影的正负对电压矢量所在扇区进行定位，如果电压矢量投影大于0，那么a=1、b=1、c=1，否则a=0、b=0、c=0，设定一个常数F，令F满足下式所示条件：

根据式（5）所求F和扇区间的对应关系，即可对电压矢量所在扇区进行定位。再根据扇区来获取电压矢量的两个相邻非零矢量的作用时间t1与t2，根据两个作用时间求出电压矢量的切换点T1、T2、T3，表达式如下：

最后将式（6）所求切换点T1、T2、T3和三角载波进行对比，完成电压空间矢量的调制。

3 实际应用

3.1 实验设置

在本次系统测试中，首先采用MATLAB 软件搭建图2 所示的三相电压型PWM 整流逆变器仿真模型图。

图2 三相电压型PWM 整流逆变仿真模型

图2 采用可编程的三相电源作为整流逆变器电源，模型中复杂为纯电阻负载。模型仿真参数见表2。

表2 三相电压型PWM 整流逆变仿真参数设置

3.2 应用结果

分析三相电压型PWM 整流逆变系统在A 相正弦输入电压初始相位角为0 时，系统带动200 Ω 直流负载至稳定状态后，负载突变至400 Ω 的性能。负载突变时三相电压型PWM 整流逆变器直流侧电压的仿真模型，如图3 所示。

图3 三相电压型PWM 整流逆变直流侧电压波形

从图3 中可见，当三相电压型PWM 整流逆变系统运行0.06 s 时，负载突变导致直流侧电压短暂下降50，但仅0.02 s 后即恢复稳定。说明设计的系统启动迅速，有效控制直流侧电压迅速恢复稳定。

选取文献[2]方法和文献[3]方法为对比方法开展实验，应用三种方法进行PWM 整流器的控制，将输入给定进行突变，在0.02 s 时将给定直接电压跳变到720 V，0.12 s 时又将电压恢复至600 V，对比结果如图4。

图4 整流逆变控制性能对比

如图4 所示，应用所提系统进行控制，其可在短时间内完成响应，并控制电压进行相关变化，而应用两种对比方法，其均存在控制不能跟随突变变化的情况，无法对电路电压进行控制，证明采用DSP 设计的三相电压型PWM 整流逆变系统具有可行性和可靠性，应用效果较好。

4 结语

在当今电力系统中，各种耗电设备对电网造成严重污染。因此，使用一种对电网污染小、效率高的电能转换装置尤为重要。三相电压型PWM 整流逆变器作为一种先进的电能转换技术，具有功率因素高、谐波小、交流电流正弦化程度高以及能量可双向流动等显著优势。设计基于DSP 的三相电压型PWM 整流逆变系统。通过理论推导和计算机仿真，证明该系统在各种电力电子应用场景下的优越性能。