基于DSP的三相PWM整流器电压空间矢量控制的研究精

2004 年第 6 期电力系统通信？31?基于 DSP 的三相 PWM 整流器电压空间矢量控制的研究赵葵银 1,王辉 2,吴峻 3(1.湖南工程学院，湖南湘潭 411101;2 湖南大学,湖南长沙 410008;3湘潭大学，湖南湘潭 411105)摘要:提出了一种简单的电压空间矢量算法，该算法根据参考电压矢量直接计算电 压空间矢量的位置和作用时间，简化了运算过程。利用数字处理器(DSP),实现了整 流器的空间矢量的全数字控制，并用 Matlab 对系统进行了仿真，仿真结果验证了所 提出的电压空间矢量算法的有效性。关键词:PWM;整流器;空间矢量中图分类号:TM461文献标识码:A文章编号：1005-7641(2004)06-0031-040 引言在静止的电力变换电路中，整流装置大约占近70%,重的污染,T.kataaoto 等人提出 PWM,PWM 整流器1以其优越的性能广泛地 应用于功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等电力电子领域，近十几年来越来越受 到学术界的关注。 目前研究热点较多集中在拓扑结构简单、 动态响应迅速的电压 型整流器上 4-5。作为降低谐波的有效措施,PWM 技术很早就应用于逆变电源。将 PWM 技术引入 整流器，则可获得单位功率因数和非常接近正弦的输入电流。由于电压空间矢量技 术对直流电压利用率高，便于数字化实现，在传动领域中得到了广泛的应用。而将 其用于整流器，则在实现中存在一定的困难，如空间矢量的定向、矢量作用时间的 计算、矢量位置的判断等，导致控制算法计算复杂，不易于实现。常规的电压空间矢量控制算法需要进行复杂的正弦函数和反正切函数运算，在实际控制系统中实现起来困难，同时也影响了系统的动态性能。本文提出了一种基于电 压空间矢量的简化算法，根据参考电压的收稿日期:2003-11-24作者简介:赵葵银(1968-),男，湖南邵东人，副教授硕士研究生，主要从事电力电子技术与交、直流传动控制的教学和科研工作；王辉(1962-),男，湖南沅江人,副教授，博士，硕士生导师，主要从事电力电子技术与电力 系统自动化的教学和科研工作；吴峻(1969-)，男，湖南平江人，讲师,硕士研究生 主要从事信息电子技术的教学和科研工作。，从而大大简，。1 电压空间矢量控制的基本原理电压空间矢量控制的三相 PWM 整流器如图 1 所示VII VT3 VT5VT2 T4 VT60图 1 PWM 整流电路结构三相整流主电路由 6 个 IGBT 与快速恢复二极管 构成。设三相对称，开关函数定义为/Sk=1(Sk=0)上桥臂 IGBT 导通下桥臂 IGBT 截止/Sk=0(Sk=1)上桥臂 IGBT 截止下桥臂 IGBT 导通式中 k=a,b,c根据开关函数的定义，若以各相上桥臂 IGBT 的导通、截止状态为基准，则电压空间 矢量共有 8 种基本工(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、作状态(000)、(110)、(111),即 V0V7。其中 V1V6 是非零矢量,V0 和 V7 是零矢量，电压空间矢量的分布位置如图 2 所示。空间矢量 PWM 控制是通过分配电压空间矢量(尤其 是零矢量)的作用时间，最终形成等幅不等宽的 PWM 脉冲波，实现追踪磁通的圆形 轨迹。? 1994-2010 Chi na Academic Journal Electro nic Publish ng House. All rights reserved.http:/www.c nki. net? 32?设电网电压为三相对称电压usa=Umsinwt)usb=Umsin(w1t20)usc=Umsin(wt+120V电力系统通信2004 年第 6 期UrefTs=V4T1+V6T2(1)Ura? Ts=在采用电压空间矢量 PWM 控制系统中，定义如 4 下空间矢量2、:(1) 电网电压空间矢量Us=Usa+jUsB =Ur 羽 Ts=Vsin60 ? T23dc式中 Ts 为采样周期，Vdc 为直流侧电压矢量。根据式(4)和式,可以算出 V(100)和 V(110)在一个控制周期内的作用时间 T1 和 T2,在其余各扇V? T1+3dcVcos60 ? T23dc(Usa+aUsb+a2Usc)3B坐标中的式中 UsaUsB为电压空间矢量 Us 在a分量。(2) 参考电压空间矢量Uref=Ura+jUrB =ni2/3区内均有此类似关系。零矢量的作用时间为 T0=Ts-T1-T2。扇区的确定B坐标系的分量根据参考电压矢量 Uref 及其在 a Ura、UrB并定义Uref1=ur B Uref2=(Ura+aUrb+a2Urc)33)2rB式中 a=e,rr、B1.2B按传统的方法，如图 2 中,Ur a UrB为 Uref 在 a轴上的坐标值，矢量 Uref 与a轴上的夹角为丫且 tan 丫二。通常情况下，由 tan 确定 Uref 在空间矢量上的 UrB若 UreflUref2ur -u22rB0,则 A=1,否则 A=00,则 B=1,否则 B=0Uref3=-Uref30,则 C=1,否则 C=0角度，进而通过反正切、正弦函数求出矢量作用的时间 T1、T2。事实上 DSP 实现的数字算法难以用传统方法计算电压空间矢量的位置和作用时间，因为反正切计算 复杂,若采用查表法又会浪费较多的时间。下面介绍一种电压空间矢量的简单算法 可直接采用参考电压来判断扇区和作用时间。设 sector=A+2B+4C 当 sector=1,Uref 位于图 2 所示的U扇区；sector=2,Uref 位于图 2所示的切扇区;sector=3,Uref 位于图 2 所示的I扇 区;sector=4,Uref 位于图 2 所示的W扇区;sector=5,Uref 位于图 2 所示的川扇区;sector=6,Uref 位于图 2 所示的V扇区。(3)开关矢量的确定为保证系统在各种情况下，每次切换都只涉及一只开关，电压空间矢量采用七段空 间矢量合成方式：每个矢量均以(000)开始和结束,中间零矢量为(111),非零矢量保证 每次只切换一只开关，见表 1 所列。由于后三段的矢量及其作用时间与前三段时间 对中间零矢量(111)对称，为简化计算，表中没有列入后三段矢量。表 1 各扇区内空间矢量及其开关时间表时间扇区IT0/4T1/2T2/2T0/4零矢量000000000000000000矢量 1100010010001001100矢量 2110110011011101101零矢量111111111111111111图 2 电压空间矢量分布(1) 矢量作用时间的确定根据参考电压矢量 Uref,可直接计算空间矢量在各个扇区的作用时间。以第I扇区为例，假设参考电压 Uref 在图示位置，它的作用 由它所在扇区中相邻的两个有效空间矢量和相应的零矢量进行合成，则有? 1994-2010 Chi na Academic Journal Electro nic Publish ng House. All rights reservedhttp:/www.c nki. net2004 年第 6 期电力系统通信？33?由以上对矢量作用时间、矢量扇区和开关矢量的分析可知，根据参考电压在不同的扇区,选用适当的开关矢量，计算出矢量作用的时间，即可合成所需要的参考电压空 间矢量。上述算法无需计算反正切，也无需查表求取角度，非常适合于数字实现。 2 电压空间矢量的软硬件实现4-6硬件电路以数字信号处理器 DSP320F2407为核心来实现，它是美国德州仪器于 1997年专门为电机及远动控制而设计的，内部含有生成 PWM 波的全比较单元,并 集成了具有采样保持的 A/D 转换器，有快速的指令周期，加上它是一种低价格、高 性能的定点 DSP芯片，因此非常适合于电压空间矢量 PWM 波的实时控制。实现电压空间矢量 PWM 算法在 DSP 中完成，系统结构如图 3 所示。外部硬件只需 要检测所需的 7 个信号(usa,usb,usc,isa,isb,isc,udc 少,电路简单。本文采用 PIm3 考 电流信号Isk,Isk 比较得到电流误差，对电流误差进行 PI 调节,用以减缓电流在动态 过程中的突变。然后再与输入电压的空间矢量进行比较控制，最后由 DSP 全比较单元输出 IGBT 所需的控制脉冲。本文旨在说明简化的电压空间矢量控制的实现 方法，故其他检测电路和保护电路在图 3Mb* U UkEtla嵌中未表示出来。如图 4 所示。(1) 主模块:使系统初始化,发出起始 PWM 波，并接受中断；同步中断模块：当电网相电压过 0 时，产生中断,达到与外部输入同步；(3) 通用定时器 1 下溢中断:完成调用子程序中电流 PI 算法和电流变换，然后从中断 返回；(4) 通用定时器 2 下溢中断：完成电压 PI 控制算法和电压变换，并实现电压矢量的比 较;在一个开关周期内，更新发出 PWM 的全比较单元的比较寄存器的值，使得下个 开关模式根据上面的计算而改变，从而实现电压空间矢量控制；(5) 子程序模块：cos 电流 PI 算法、电压。对系统进行仿真3,输入相电压取 110V,直流侧电容为 200 卩 F 电阻为 50Q。系统的 仿真结果如图 5 和图 6 所示图 5 输出直流电压与输入电流（取 A 相）瞬态响应波形图 3 TMS320F240实现电压空间矢量的结构程序采用模块法设计，整个系统是通过调用子程 序和接受处理中断来完成检测和控制的，其软件模块 图 6 稳态整流输入电压与输入电流波形 图 5 为输出直流电压与输入电流（取A 相）的波形，可以看出，系统响应非常快速，输出电流电压很快就进入稳定状态，电流为正弦波，只是在开始时刻有很小的波动。图 6 为稳态时输入电压与输入电流（取 A 相电 压、电流）的波形,可以看出，输入电压、电流均为正弦波，电流稍微滞后，基本同相 位。图 4 系统程序模块? 1994-2010 Chi na Academic Journal Electro nic Publish ng House. All rights reserved.http:/www.c nki. net? 34?电力系统通信2004 年第 6 期2浦志勇,等.三相 PWM 整流器空间矢量控制简化算法的4 结论本文采用直接计算合成参考电压矢量的方法，大大简化了计算过程，并采用以高性能 DSP320F240 芯片为核心的硬件设计，使外围电 路的扩展也很简单。由系统的仿真结果验证了控制算法的有效性，可以看出对直流 电压和输入电流进行了很好的控制，实现了输入电流的高功率因数整流。参考文献：I王兆安，黄俊电力电子技术(第 4 版)M.北京:机械工业出版社,2000.研究J.电工电能新技术,2002,(2):56-61.3吕丽红,刘志强.电压空间矢量三相整流器系统的仿真研究J.计算机仿真,2003,19(3):36-39.4张兴，等.PWM 可逆变流器空间电压矢量控 制技术的研究J .中国电机工程学报,2001,21(10):101-106.董小鹏,等.一种电压型 PWM 整流器控制方法的研究J.电工技术学报,1998,13(5):31-38.6Sta nkovicaAV,LipoTA.Age neralizedC on trolMethodforl nputOutputHarm on icElimi natio nforthePWMBoostRectifieru nderSimulta neousU nbalancedl n putVoltagesa ndln putImpeda ncesA.IEEEPESC2001C:1309-1314.7张雄伟曹铁勇.DSP 芯片的原理与开发应用(第 2 版)M.北京:电子工业出版社,1996.StudyofDSPbasedthree-phasePWMrectifierbyspacevectorZHAOKui-yi n, WANG,1(1.H unanEngin eeri ngln stitute,Xia ngta n,China;.)Abstract:Asimplifiedthedutycyclesofspacevoltagevectortrack in gthereferencevoltagevect or.fullco ntroltech niqueisrealizedwiththeprese nted.ThesimulatingresultbyMatlabprovest heeffective nessofthisKeywords:PWM;rectifier;spacevector(上接第 26 页)参考文献：1IEC61850-1.Commu ni cati onn etworka ndsystemsi nsubsta2tio ns.Part1:BasicPri ncipleS.1999.2陈怀.应用 GPS 提高对时精度J.华东电力，1998,(8):13-15.3徐立子.论变电站自动化系统的分析和实施J.电网技术,2001,(9):13-14.4刘浩,蔡月明，郑建勇.基于 DS80C320 的 GPS 卫星同步时 钟J.电力自动化设备,2001,(9):22-24.5江道灼,孙伟华，陈素素.电网相量实时同步测量的一种新方法J.电力系统自动化,2003,(15):40-44.6李瑞生,张克元，冯秋芳.电力系统自 动化GPS 精确对时的解决方案J.继电器,1999,(5):31-32.7杨贵玉,江道灼，邱家驹.相角测量装置的 同步测量精度问题J.电力系统自动化,2003,(14):57-60.8黄益庄.变电站综合自动化技术M. 北京:中国电力出版社,2000.9程明,金明,李建英，等.无人值班变电站监控技术M.北 京:中国电力出版社,1999.GPSbaseda nalysisofclocksyn chro nizatio non RTU ZHANGLi n1,2,CHUZho ng2,LIXiu-jua n2 (1.Nanji ngU ni versityofScie ncea ndTech nology,Nanji ng210094,Chi na;2.Departme ntofComputer& In formati onEngin eeri ng,HefeiU ni versity,Hefei230022,Chin a)Abstract:Theru nnin gstatuscha ngesveryfasti nelectricpowernetwork.Thedispatchsystemn eedsa naccurate un dersta ndjudgme nt,ma nageme ntandin structi onforrunningofelectricpow ernetwork.Sotheremustbea un ifiedclock in dispatchsystem,andRTUrequiresarealtimes ync hron iza2tio nm echa nism.Thearticleanalyzessomeeffectsthataffectaccuracyofclocks yn chr oni zatio non RTU,the nintroducesawaytoimproveaccuracyofit,a nddescribestheadva ntages suchass ynchronousphaseparame ntersmeasureme nton power network in differe ntplacesusi n gGPSandhighaccura2cyofclocks ynchroni zati on.Keywords:remotetermi nal un it;globalpositio nin gsystem;phaseparametermeasurementon power network? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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