赵志旺[1]吴玲[2]李龙[1]张颖超[1]
　　
　　(1.重庆通信学院,重庆400035)
　　
　　(2.解放军75706部队,广州510510)
　　
　　摘要:结合三相电压型PWM整流器的数学模型,对整流器控制策略进行研究,设计了基于PI调节器的电流内环和电压外环的双闭环控制策略,并以DSP和CPLD为核心构建PWM整流器控制系统,给出具体硬件电路和详细软件流程。实验结果表明:该PWM整流器可以有效地抑制谐波,实现网侧单位功率因数控制,具有优越动静态性能。
　　　　
　　近年来,PWM整流器以其突出的优点(网侧电流正弦、单位功率因数、能量双向流动等)成为电力电子学术界研究的热点,已广泛应用于有源滤波、可再生能源并网、四象限交流电机驱动等电力电子变流领域。但是三相PWM整流器是一个强耦合、非线性的复杂系统,要求控制系统控制算法准、响应速度快、保护功能强,需要进行大量算术运算和控制逻辑处理。因而,使用新型微处理器,构造PWM整流器全数字化控制系统成为趋势。DSP是新一代控制芯片,它具有成本低、功耗小、性能高的特点,CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)是复杂可编程逻辑器件,可以实现各种复杂逻辑运算,实现高度集成,本文以TMS320F2812型DSP芯片为核心设计控制系统，辅以CPLD芯片EPM7256AE对外围电路进行逻辑处理，利用芯片快速的运算能力和丰富的外设资源，进行系统的硬件和软件设计，开发出性能优越的整流器。
　　
　　1 整流器的数学模型及控制策略
　　
　　1.1整流器的数学模型
　　
　　三相PWM整流器的电路原理如图1所示。
　　
　　图1中,ea、eb和ec为三相电源相电压,ua、ub和uc为PWM整流器交流侧三相输入电压,ia、ib和ic为三相输入电流,IL为负载电流,可知三相PWM整流器在a-b-c中的数学模型为式(1):
　　
　　Sk(k-a,b,c)为坐标系(a-b-c)中单极性二值逻辑开关函数。
　　
　　由于整流器交流侧均为时变交流量，不利于控制系统的设计，通过坐标变换，将三相对称静止a-b-c坐标系转换成两相同步速旋转d-q坐标系,得到基于d-q坐标系下的数学模型,见式(2),

其模型结构如图2所示。
　　
　　Sd、Sq为坐标系(d-q)中单极性二值逻辑开关函数。
　　
　　1.2整流器的控制策略
　　
　　矢量控制具有动态响应快、自身有限流保护能力等优点,并且还可以消除电流稳态误差,使系统得到较好的动静态性能。文中采用基于d-q坐标变换的矢量控制策略,利用双闭环控制方法,电流内环通过对PWM整流器有功和无功电流的控制,以及对电流状态反馈进行解耦和电网扰动的补偿,达到控制输入电流的目的。系统的控制框图如图3所示。

电压外环控制用于实现输出电压的稳定,输出有功电流的给定,为保证整流器的功率因数为1,无功电流给定设为0。由控制器得到控制量,然后通过SVPWM调制算法,即可生成相应6路脉冲控制IPM功率开关的开通与关断,从而实现对整流器的控制。
　　
　　2 系统的硬件设计
　　
　　三相PWM整流器电路中,功率开关器件选择IPM模块,三相交流电源经滤波电感送到网侧整流器的三相桥臂,输出直流电压。控制系统以DSP和CPLD为核心,电压、电流传感器测出所需各部分的电压、电流值,经过调理电路和比较电路送入DSP和CPLD芯片,CPLD对DSP输出的PWM信号进行整形、死区、最小脉宽设置送入IPM的控制端,实现系统的控制。
　　
　　2.1主电路设计
　　
　　IPM模块采用富士公司生产的型号为6MBP25RA120的IPM智能模块,该模块的电气性能为额定电流25A,耐压值为1200V,最大开关频率为20kHz,内置有过流保护、短路保护、控制电压欠压保护、过热保护及故障输出端口,提高了系统的安全性和可靠性。驱动电路采用高速、高共模比的光耦器件6N137,该光耦具有极短的寄生延时、瞬时共模、TTL兼容等特点,适用于IPM的驱动。
　　
　　2.2控制电路设计
　　
　　控制电路主要由DSP控制系统、CPLD逻辑控制系统和信号调理电路组成。
　　
　　DSP控制系统的主要功能为接受电流环给定值,启动或停止PWM整流单元的运行;实现系统控制算法,产生6路PWM脉冲信号;通过相关检测实现相应的保护控制策略,控制芯片采用TMS320F2812。
　　
　　CPLD主要作用是接收PWM脉冲信号,对信号进行死区和最小脉宽设置等整形措施后送入IPM功率模块中;接收所有故障信号,通过逻辑运算进行系统保护。
　　
　　信号调理电路主要为交直流检测的电路,将需要检测的交直流量通过传感器进行采样,将采样值通过调理电路送至DSP芯片,由DSP处理后进行相应的控制。
　　
　　(1)DSP控制系统
　　
　　DSP及其外围电路为控制系统的核心部分,DSP采用TI公司生产的TMS320F2812芯片,它是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。其片上外设主要包括2×8路12位ADC(最快80ns转换时间)、2路SCI等,并带有两个事件管理模块(EVA、EVB),分别包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定时器[9]。图4为基于TMS320F2812的控制系统框图,主要包括电压、电流、故障信号检测、通信和PWM信号输出等。
　　
　　(2)CPLD逻辑控制系统
　　
　　CPLD是复杂可编程逻辑器件，采用软件编程实现硬件电路特征，可以实现各种复杂逻辑运算。CPLD逻辑控制系统以芯片EPM7256AE为核心,其主要作用是接收PWM脉冲信号,对DSP输出的PWM信号进行整形,包括增加互补脉冲、添加死区、限制最小脉宽等;接收所有故障信号,通过逻辑运算对系统进行保护。（未完待续）
　　
　　【红尘有你】