基于DSP的电压定向矢量控制PWM整流器系统设计.docx

基于DSP的电压定向矢量控制PWM整流器系统设计基于DSP的电压定向矢量控制PWM整流器系统设计lihan导语：在当代沟通传动和伺服系统中，广泛采用电压型交直交变频器。这类变频器输入端的整流器的性能至关重要在当代沟通传动和伺服系统中，广泛采用电压型交直交变频器。这类变频器输入端的整流器的性能至关重要1。一方面，整流器需要给逆变器提供高品质的直流电压并具有抗扰性;另一方面，整流器应当不对电网构成谐波污染和无功污染;此外，电机制动时回馈到直流侧的再生能量应能回馈到电网。pwm整流器是实现上述性能的理想选择2。在诸多pwm整流器的控制策略中，基于电压定向的矢量控制由于具有电流无静差、能实现电流有功分量和无功分量的单独解耦控制等优点受到了广泛关注。但电压定向矢量控制由于基于坐标旋转变换思想，计算量相对较大，为知足控制系统的实时性要求，对cpu的运算资源提出较高要求3。本文采用全数字方法给出了基于高性能dsp芯片tms320f2812的pwm整流器电压定向矢量控制系统设计方案，以期获得优良的动静态控制性能的同时，使系统具有体积小，集成度高，抗干扰才能强等优点。电压定向矢量控制原理三相pwm整流器的主电路如图1所示，图1中忽略了电感的附加电阻。align=center图1三相pwm整流器主电路/align在三相静止坐标系下，pwm整流器的数学模型为41为了进展矢量控制，需要将其变换到dq两一样步旋转坐标系中，变换之后的数学模型为2可见，在dq坐标系中，交直轴的变量是相互耦合的，仅靠控制整流器逆变电压的交直轴分量无法对交直轴电流进展单独的控制。为此，需要在控制回路的中引入前馈解耦控制。当电流环采用pi调节并引入前馈解耦控制时，ud，uq控制方程如下:3将式3代入式2，可以得到如下方程4可见，交直轴电流不再有耦合关系，交直轴实际电流可以跟随自身的给定电流变化。电压定向矢量控制是一种基于dq坐标变换的控制方式。由于正弦量在同步旋转坐标系下为直流量，故矢量控制可以将对沟通量ua、ub、uc及ia、ib、ic的控制转换为对直流量ud、uq及id、iq的控制。由于采用pi控制器可以实现对直流量的无静差调节，且可以对有功分量和无功分量进展单独的控制，所以矢量控制可以进步系统的动静态性能。align=center图2pwm整流器的电压定向矢量控制原理框图/align本文所采用的pwm整流器矢量控制系统的原理框图如图2所示。系统按照电网电压矢量定向，即同步旋转坐标系的d轴选择在电网电压矢量方向，q轴超前于d轴90°。由图2可知，系统采用直流母线电压外环、电流内环的双闭环构造。电压外环实现了对直流母线电压的控制，用以保持直流电压的稳定并具有抗扰性能，同时还可以使输出电压可调。电压环输出作为有功电流给定id，为了实现单位功率因数运行，无功电流给定iq设置为0。给定电流与实际电流相比拟，经电流调节器之后作为网侧电压的参考值。pwm的产生采用利于数字化的svpwm方式，采用tms320f2812很轻易实现。基于dsp的电压定向矢量控制系统设计由上述分析可知，电压定向矢量控制策略需要旋转坐标变换，还包括3个闭环调节器，需要大量的计算，而dsp芯片tms320f2812是具有包括ad转换、pwm输出等丰富外设的高速数字处理芯片，主频可达150mhz，可以很好地知足大计算量，高实时性要求的控制系统5，本文以上述电压矢量控制原理为根底，设计了基于tms320f2812的pwm整流器矢量控制系统，下面对软硬件设计进展深化阐述。align=center图3pwm整流器的矢量控制系统电路构造图/align系统的硬件构造框图如图3所示。整个系统由主电路、控制电路以及信号收集电路3个子系统组成。主电路包括滤波电感，功率开关器件和直流滤波电容，主要完成功率的变换，实现能量的双向流动;控制电路采用以dsp为核心的数字化设计，这大大简化了硬件电路的设计，其主要任务是实现矢量控制算法并保证系统平安可靠运行，进而使网侧电流实现正弦化并与电网电压同相;信号收集电路子系统包括网侧电压、电流的检测以及直流电压的检测，将强电信号转化为0-3.3v的和dsp芯片电平兼容的模拟信号。主电路中的功率开关器件采用三菱公司的智能功率模块ipmps21867。这种ipm把功率开关器件和驱动电路集成在一起并优化了门极驱动电路，进而无需设计复杂的驱动电路，dsp输出信号通过简单的电平转换电路即可驱动开关器件。此外，ipm还集成了控制电源欠压、过电流和过热等故障检测电路。ipm可能工作于三种状态:正常驱动、短路保护和控制电源欠压保护。假如ipm中有一种保护电路动作，相应igbt单元的输入信号将被封闭并输出一个故障信号fo。因此即使发生负载事故或者使用不当，也可以保证ipm自身不受损坏。控制电路以tms320f2812为核心，主要包括dsp芯片、显示电路以及模拟信号电平转换电路。tms320f2812是ti公司为电机控制量身定制的32位定点dsp。该芯片的显著特点是具有两个合适电机控制的事件治理器，每个事件治理器均有2个通用定时器，6路具有死区功能的pwm输出，1个svpwm硬件发生单元。与ti的另一款电机控制芯片lf2407a相比，其主频更高，可达150mhz，因此更可以知足实时性要求5。align=center图4pwm整流器的控制策略软件流程图/align图4是电压定向矢量控制软件程序流程图，所有算法均在dsp中由软件完成，主要包括电压、电流ad转换及数字滤波算法，电压定向角的计算，直流电压的收集及闭环调节，电流旋转坐标变换以及相应的闭环调节以及svpwm算法等。基于电压定向矢量控制的pwm整流用具有输入电流正弦性好，系统以单位功率因数运行，能量自由双向传递，动静态控制性能优良等优点，本文介绍了基于dsp芯片tms320f2812的pwm整流器矢量控制系统，给出了详细的软硬件设计方法。基于dsp的系统设计方案可以极大的减少设计工作量，并具有体积小，抗干扰才能强，可靠性高等优点。