基于TMS320F2812的三相整流器设计研究

摘要：详细论述了SVPWM(空间矢量调制)的基本原理，给出了一种基于DSP实现的三相PWM整流器控制系统的设计方案，并且应用了TMS320F-2812，给出了一台原理样机的设计方法，同时进行了实验验证。
关键词：PWM整流器；电压空间矢量；数字信号处理器

O 引言
    PWM整流器与传统的不控整流或相控整流相比，具有功率因数高，输入电流正弦波形好，可实现能量的双向传输等优点，是一种真正的“绿色电源”，一直成为研究的重点。在对PWM整流器的研究过程中，学者先后提出了多种控制方案，其中SVPWM(空间矢量调制)以其具有直流电压利用率高、可以快速动态响应等优点而备受研究者们的关注。
    本文在分析了电压空间矢量控制原理的基础上，提出了一种便于数字实现的控制算法。该算法采用输入电压空间矢量定向，直接计算空间电压矢量的位置和作用时间，同时利用数字信号处理器(DSP)来实现三相PWM整流器空间矢量的全数字控制。本文介绍了其系统组成及控制原理，最后给出了实验波形。

1 空间矢量脉宽调制原理
    图l是三相电压型整流器(VSR)的主电路拓扑结构，该结构与三相逆变器拓扑结构非常相似，因而可以把3个电感L和电网输入整体看作是一个交流电机模型，并把类似于三相交流电机的空间矢量控制方法用到三相VSR的控制中来。

    设电网的三相电压分别为：
  
    那么，根据定义的开关函数，其空间矢量共有8种工作状态：(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、 (101)、 (110)、 (111)，即V0～V7。电压空间矢量的分布位置如图2所示。事实上，空间矢量PWM控制就是通过分配电压空问矢量(尤其是零矢量)的作用时间，以最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波，从而实现追踪磁通的圆形轨迹。 [p]
    现以图2中的V*矢量所处的位置为例，产生PWM输出的一个简便方式就是利用扇区I的相邻矢量V4和V6，使其各自工作部分时间，从而使平均输出满足参考矢量的要求。

2 SVPWM的实现
    实现三相电压型整流器的SVPWM调制时，一般应先计算电压空间矢量V*：再判断V所在的扇区；然后根据扇区分配矢量与作用时间来生成
三相PWM信号。
    计算合成电压矢量V*可根据前面的分析来进行。而对于扇区的确定，则应计算电压合成空间矢量的区间号N，为此，可定义一种新的二相到三相的变换，其中uα、uβ为空间矢量V*在α、β轴上的坐标值。其变换如下：
   
    若：A>0，则X=l，否则X=O；
        B>0，则Y=1，否则Y=0：
        C>0，则Z=1，否则Z=0；
    设N=X+2Y+4Z，那么：
    若N=3，则V*位于图2中的I扇区：
    N=1，则V*位于图2中的II扇区：
    N=5，则V*位于图2中的III扇区：
    N=4，则V*位于图2中的IV扇区：
    N=6，则V*位于图2中的V扇区：
    N=2，则V*位于图2中的VI扇区。

3 各矢量作用时间的计算
    根据参考电压，可直接计算空间矢量在各扇区的工作时间。若以图2所示的位置为例，则参考电压V*可由其所在扇区的两个相邻矢量V4和V6合成。即：
   
    式中，t4、t6分别为矢量V4、V6的作用时间；T0为采样周期的一半，即Ts／2；V*cosθ为参考电压在α轴的分量；V*sinθ为参考电压在β轴的分量。
    化简上式得：
    [p]
    根据等式两端虚部与虚部相等，实部与实部相等的原则，可以得出t4与t6的值：
   
    依据同样的方法，便可以求得其他扇区内的矢量安排时间，为便于观察运用，在此定义三个量T1、T2、T3：
   
    对于不同的扇区，Tx、Ty可按表l所列来进行取值。Tx、Ty赋值后，还要对其进行饱和判断。若Tx+Ty>T，则取：
    Tx=TxT／(Tx+Ty)
    Ty=T2T／(Tx+Ty)

[p]

4 控制系统的设计
    控制电路是该整流电路的重要部分，控制电路品质的优劣直接影响本整流电路的性能。三相电压型整流器控制系统通常采用双闭环控制结构。它在电压外环控制直流侧电压，并给电流内环提供指令电流；而电流内环则根据指令电流进行电流快速跟踪控制。电流参与控制提高了整个系统的动态响应能力，同时具有电流控制精度高、限流容易等优点。图3所示为三相PWM整流器的双闭环控制原理。

    笔者在基于理论分析的基础上，设计了一个功率为1 kW的三相可逆整流装置。该装置的交流侧采用三相电压输入，每相50 V／50 Hz，电感为12 mH。直流侧参数为：负载50 Ω、输出直流电压150 V，电容2200μF。图4给出了阻性满载、半载、轻载情况下的三相输入电流及输入电压的波形图。

5 结束语
    根据本文的分析和实验波形，可以得出以下结论：
    (1)随着负载变轻，系统的功率因数相应的降低了。
    (2)在负载变轻的同时，输入电流的THD也随之增加了，说明系统的电流跟踪效果变差了。
    (3)从实验数据看出，系统在重载工作时效率较高。而随着负载的减轻，系统的效率也下降。这是因为电路存在固有损耗，轻载时固有损
耗所占的比重较大，所以效率较低。而加载后，其所占比重逐渐减小，所以效率也相应的增加。