基于dsPIC30F4012型微处理器的三相电压型PWM整流器研究

摘要：建立了电压型PWM整流器模型，提出一种实用的电流解耦方案，给出一种由dsPIC30F4012型微处理器控制的三相电压型PWM整流器控制系统，详细介绍其系统组成、控制原理及硬件结构，论述其软件流程，给出实验结果。 关键词：PWMi dsPIC30F4012；电流解耦控制；电压型整流器 引言 近几年，在AC／DC变换中，PWM整流器因其能够实现高功率因数运行且几乎不产生谐波而倍受关注。关于PWM整流器的研究在我国也进行了很多年，其实施方案主要有电压型PWM整流器和电流型PWM整流器。电流型PWM整流器由于存在直流储能电感及交流LC滤波环节．因此结构和控制相对复杂，系统损耗较大。而电压型PWM整流器以其较低的损耗、简单的结构及控制等一系列优点而成为PWM整流器的研究重点。 1 PWM整流器工作原理 图1示出三相电压型PWM整流器主电路。当整流器进入稳态工作状态后，输出直流电压恒定，整流桥的三相桥臂按正弦的脉宽调制规律驱动。开关频率很高时，由于电感器的滤波作用，高次谐波电压产生的谐波电流非常小，如果只考虑电流和电压的基波，整流桥可以看作是一个理想的三相交流电压源。适当调节控制量的大小和相位，就能控制输入电流的相位，可以达到改变功率因数的目的，其中对控制输入电流的大小以控制传入变换器的能量，也就控制了直流侧电压。可见PWM整流器的控制目标是输入电流和输出电压，而输人电流的控制是整流器控制的关键。输入电流的控制目标是使电流波形成为正弦波且与输入电压同相位。 2在d—q坐标中的数学模型[1，2，3] 在PWM整流器控制方法上，笔者将三相交流电流旋转变换成在d-q坐标系中进行，以对电流的d、q分量进行单独控制。有功功率和无功功率的调节十分方便。 图1中的PWM整流器U∞、U∞、U∞分别为整流桥三相控制电压，有方程式： 采用空间坐标变换方法，将上述方程变换到二相静止坐标中，其变换矩阵为 再进一步由α-β坐标系变换为d—q二相旋转坐标系，变换矩阵为变换方程为 经过以上变换后，在同步旋转坐标系下PWM整流器方程为： usd,、usq，id、qi。，Ud、Uq分别为d—q同步旋转坐标系下的电源电压、输入电流和桥中点控制电压。以输人电压合成矢量的位置为d轴的正方向，取三相输入电压usc,usb,us为 则经过同样坐标变换，在d—q同步坐标系下有 将(8)式代入同步旋转坐标系下PWM整流器的方程(6)式可得 由此式可见，id与iq之间存在耦合，通常有电压前馈解耦控制和电流反馈解耦控制二种，前者虽是一种完全线性化的解耦控制方案．但实时性并不好。笔者采用电流反馈解耦控制方式，实施方便，控制电路简单。 在实际应用中．当电压环的采样频率远高于电网电压的频率时，在方程中造成互耦的ωLid和ωLid对电流调节器性能影响较小[1]，可忽略，这样将电流控制指令id*、iq*与反馈电流id、iq比较，其误差经过P，调节得到电压给定信号，得出近似解耦模型，即： PWM整流器基本控制框图如图2所示。当PWM要得到单位功率因数时，则输入电流要跟踪输入电压，d—q坐标系中，将输入电压矢量定位在d轴上，这样控制电流矢量也同样只有d轴分量，而q轴分量为零。满足iq*=O即可。笔者采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方案。id*为电压调节器输出，它与有功电流成正比。 3 硬件电路组成 本系统采用Microchip公司专为电机高速控制生产的dsPIC30F4012型16位微处理器作为核心控制电路组成全数字化PWM整流器。dsPI(230F4012有1个16位CPU和1个dSP内核，当内部最高时钟频率为120MHz时，进行一次16bitxl6bit运算的时间为8．3ns：另外包括2048字节的寄存器RAM、48KB的片内程序空间、1024字节的，EEPR()M、中断7个I／0口共21条I／0口线，有1路全双工的UART功能模块、1个同步串行SPI功能模块、1个FC串行通信模块和1个CAN串行通信模块，片内设有1个6通道的A／D转换器，工作在10位模式，采样保持时间、转换时间、阈值检测方式和零偏补偿校正均可编程；5个16位定时器；有4路捕捉器、2路比较／标准脉宽调制单元(PWM)模块；1个6通道的电机专用MCPWM控制器。dsPIC30F4012内M(2PWM电机专用PWM控制器是其设计特色之一；这一设置大大简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件．通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形．并由RE口直接输出6路PWM信号给整流器。每个引脚驱动电流达25mA，为防止同一桥臂上2个功率管直通造成短路。该发生器还可通过编程设置死区互锁时间，在外部时钟10MHz经内部8倍频后的系统时钟为80MHz时，死区时间范围根据分频系数的不同分为系数为1：1时为50ns～3．15μs；系数为l：2时为100ns～6．3μs，系数为1：4时为200ns～12．6μs：系数为1：8时为400ns～25．2μs。 图3示出系统组成框图，本方案的硬件主要由输入电压相位和幅值检测、输入电流检测、输出电压检测、驱动和保护电路等组成。电流和电压检测采用霍尔传感器，经过适当的信号转换后输入到dsPIC30F4012的A／D端。驱动电路采用EXB841。 4 系统软件设计[4] 系统软件主要由主程序和二个中断服务子程序组成。主程序部分主要是对控制软件进行初始化，设置dsPIC30F4012的各种功能模块，以设定系统各个功能模块的工作方式。系统包含二个中断服务程序，即电流中断服务程序和捕获口中断服务程序。捕获口中断服务子程序流的作用是对输入信号进行定位。电流中断服务程序用来完成电压、电流的调节及输出PWM信号到硬件电路，以控制开关管从而达到控制主电路的目的．同时完成各种软件保护的查询与输出保护信号的功能，图4示出电流中断服务子程序的流程。 5 实验结果与结论 基于dsPIC30F14012的电压型PWM整流器的输入交流相电压为220V、输出直流电压为600V。输入电感为7.5mH，整流负载为50Ω。本系统主电路采用三菱公司的CMl50DY-24H型150A／1200V型IG-BT，驱动采用EXB84l厚膜电路。实验证明：电流基本为正弦波并且与电压波形相同，实现了单位功率因数，用电力谐波分析仪测得的电流总畸变率(THP)为3.8％。 通过对PWM整流器在d—q坐标下的数学模型的推导和分析，提出了一种较适用的d—q坐标系下的近似解耦控制方法．并采用功能强大的dsPIC30F4012型微处理器作为核心实现全数字化PWM整流器。从实验结果看效果良好。具有较好的应用前景