TMS320F2812的三相整流器設計研究

O 引言
??? PWM整流器與傳統的不控整流或相控整流相比，具有功率因數高，輸入電流正弦波形好，可實現能量的雙向傳輸等優點，是一種真正的“綠色電源”，一直成為研究的重點。在對PWM整流器的研究過程中，學者先后提出了多種控制方案，其中SVPWM(空間矢量調制)以其具有直流電壓利用率高、可以快速動態響應等優點而備受研究者們的關注。
??? 本文在分析了電壓空間矢量控制原理的基礎上，提出了一種便于數字實現的控制算法。該算法采用輸入電壓空間矢量定向，直接計算空間電壓矢量的位置和作用時間，同時利用數字信號處理器(DSP)來實現三相PWM整流器空間矢量的全數字控制。本文介紹了其系統組成及控制原理，最后給出了實驗波形。

1 空間矢量脈寬調制原理
??? 圖l是三相電壓型整流器(VSR)的主電路拓撲結構，該結構與三相逆變器拓撲結構非常相似，因而可以把3個電感L和電網輸入整體看作是一個交流電機模型，并把類似于三相交流電機的空間矢量控制方法用到三相VSR的控制中來。

??? 設電網的三相電壓分別為：
??
??? 那么，根據定義的開關函數，其空間矢量共有8種工作狀態：(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、 (101)、 (110)、 (111)，即V0～V7。電壓空間矢量的分布位置如圖2所示。事實上，空間矢量PWM控制就是通過分配電壓空問矢量(尤其是零矢量)的作用時間，以最終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，從而實現追蹤磁通的圓形軌跡。

??? 現以圖2中的V*矢量所處的位置為例，產生PWM輸出的一個簡便方式就是利用扇區I的相鄰矢量V4和V6，使其各自工作部分時間，從而使平均輸出滿足參考矢量的要求。

2 SVPWM的實現
??? 實現三相電壓型整流器的SVPWM調制時，一般應先計算電壓空間矢量V*：再判斷V所在的扇區；然后根據扇區分配矢量與作用時間來生成
三相PWM信號。
??? 計算合成電壓矢量V*可根據前面的分析來進行。而對于扇區的確定，則應計算電壓合成空間矢量的區間號N，為此，可定義一種新的二相到三相的變換，其中uα、uβ為空間矢量V*在α、β軸上的坐標值。其變換如下：
???
??? 若：A>0，則X=l，否則X=O；
??????? B>0，則Y=1，否則Y=0：
??????? C>0，則Z=1，否則Z=0；
??? 設N=X+2Y+4Z，那么：
??? 若N=3，則V*位于圖2中的I扇區：
??? N=1，則V*位于圖2中的II扇區：
??? N=5，則V*位于圖2中的III扇區：
??? N=4，則V*位于圖2中的IV扇區：
??? N=6，則V*位于圖2中的V扇區：
??? N=2，則V*位于圖2中的VI扇區。

3 各矢量作用時間的計算
??? 根據參考電壓，可直接計算空間矢量在各扇區的工作時間。若以圖2所示的位置為例，則參考電壓V*可由其所在扇區的兩個相鄰矢量V4和V6合成。即：
???
??? 式中，t4、t6分別為矢量V4、V6的作用時間；T0為采樣周期的一半，即Ts／2；V*cosθ為參考電壓在α軸的分量；V*sinθ為參考電壓在β軸的分量。
??? 化簡上式得：
???

??? 根據等式兩端虛部與虛部相等，實部與實部相等的原則，可以得出t4與t6的值：
???
??? 依據同樣的方法，便可以求得其他扇區內的矢量安排時間，為便于觀察運用，在此定義三個量T1、T2、T3：
???
??? 對于不同的扇區，Tx、Ty可按表l所列來進行取值。Tx、Ty賦值后，還要對其進行飽和判斷。若Tx+Ty>T，則取：
??? Tx=TxT／(Tx+Ty)
??? Ty=T2T／(Tx+Ty)

4 控制系統的設計
??? 控制電路是該整流電路的重要部分，控制電路品質的優劣直接影響本整流電路的性能。三相電壓型整流器控制系統通常采用雙閉環控制結構。它在電壓外環控制直流側電壓，并給電流內環提供指令電流；而電流內環則根據指令電流進行電流快速跟蹤控制。電流參與控制提高了整個系統的動態響應能力，同時具有電流控制精度高、限流容易等優點。圖3所示為三相PWM整流器的雙閉環控制原理。

??? 筆者在基于理論分析的基礎上，設計了一個功率為1 kW的三相可逆整流裝置。該裝置的交流側采用三相電壓輸入，每相50 V／50 Hz，電感為12 mH。直流側參數為：負載50 Ω、輸出直流電壓150 V，電容2200μF。圖4給出了阻性滿載、半載、輕載情況下的三相輸入電流及輸入電壓的波形圖。

5 結束語
??? 根據本文的分析和實驗波形，可以得出以下結論：
??? (1)隨著負載變輕，系統的功率因數相應的降低了。
??? (2)在負載變輕的同時，輸入電流的THD也隨之增加了，說明系統的電流跟蹤效果變差了。
??? (3)從實驗數據看出，系統在重載工作時效率較高。而隨著負載的減輕，系統的效率也下降。這是因為電路存在固有損耗，輕載時固有損
耗所占的比重較大，所以效率較低。而加載后，其所占比重逐漸減小，所以效率也相應的增加。