基于DSP的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自動(dòng)化工程學(xué)院DSP期末論文 題 目：基于DSP的三相電壓型 PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 控制理論與控制工程 學(xué) 號(hào)： 2011020311 學(xué)生姓名： 賈路明 2011年12月25日 專心-專注-專業(yè)1. 引 言 三相整流器在中等功率及大功率電能變換中應(yīng)用很廣，通常作為逆變電路或是大型UPS電源的前級(jí)直流電源。根據(jù)控制策略的不同，三相電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng)可由模擬電路或單片機(jī)擴(kuò)展外圍設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)叫單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度要快，但隨環(huán)境和溫度的變化，系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，且系統(tǒng)可能發(fā)生的故障點(diǎn)較多，維護(hù)相對(duì)困難。相對(duì)而言，單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)

2、定性更好，但由于單片機(jī)的固有特性，對(duì)于這樣一個(gè)多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，它的運(yùn)算能力和運(yùn)算速度難以滿足要求，影響系統(tǒng)的性能。文中指出一種采用DSP控制的三相整流器的新型間接電流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以整流器前端電壓與電源電壓滯后角作為輸入變量，采用TMS320F2407為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)以空間矢量控制的數(shù)字算法和和快速、實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。2. 控制系統(tǒng)原理分析 三相電壓型PWM整流器控制有直接電流控制和間接電流控制兩種。在直接電流控制中直接檢測(cè)交流側(cè)電流信號(hào)加以控制，系統(tǒng)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但檢測(cè)量過(guò)多，可控制復(fù)雜。間接電流控制又稱相位幅值控制，具有檢測(cè)量少、控制簡(jiǎn)單

3、、概念清晰的特點(diǎn)，可得到最優(yōu)的性能價(jià)格比。圖1為典型的三相電壓型整流器的主電路拓?fù)?，圖2為三相PWM整流器的單相（A相）等效電路和電壓向量圖。Ea為輸入電源電壓幅值、Upa為橋臂中點(diǎn)電位即整流器前端電壓的基波幅值、UL（UL=IL）為升壓電感兩端電壓有效值（在等效電路中忽略了電感電阻），I為輸入電流幅值，為Upa滯后于Ea的電角度，為功率因數(shù)角。若要求功率因數(shù)為1，根據(jù)圖2b，Upa的大小應(yīng)滿足下式： （1） 假設(shè)輸出電容有一個(gè)中心抽頭，則圖1整流器輸入則a點(diǎn)對(duì)此中心抽頭間的電壓波形與開(kāi)關(guān)元件的觸發(fā)波形一致，即整流器前端電壓波形與開(kāi)關(guān)元件PWM波形的相位及各脈沖間距均相同。因此，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)元

4、件觸發(fā)信號(hào)的相位及調(diào)制比Mr就可以調(diào)整Upa的相位和幅值，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1。文中PWM信號(hào)采用空間矢量調(diào)制方式。 在傳統(tǒng)的相位幅值可能告知方式中，在功率因數(shù)為1時(shí)，和Upa的算法完全根據(jù)向量圖并依賴于主電路參數(shù)，如下式： （2） （3）式（2）和式（3）的運(yùn)算量較大并且與主電路參數(shù)相關(guān)聯(lián)，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)存在受主電路參數(shù)影響的局限性。所提出的新型相位幅值控制是將PI調(diào)節(jié)器輸出作為滯后角的給定，而角作為被控對(duì)象的輸入變量并依據(jù)能量守恒原則和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)關(guān)系以及向量關(guān)系確定控制算法，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。這種控制策略是將誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出作為滯后角，其靜態(tài)關(guān)系如下： （4

5、）控制過(guò)程：當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)使Udc上升即誤差e下降時(shí)，由式（4）得出減小，從圖2b可知，輸入電流I隨之減小。根據(jù)能量守恒原則（忽略其他損耗）有：3EaI/2=Udc2/Rf，因此Udc將減小，即Udc負(fù)載擾動(dòng)調(diào)節(jié)成功。同理可知，當(dāng)負(fù)載電壓Udc下降時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類似。將PI調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換成角度（即角），并按式（1）計(jì)算出整流器前端電壓幅值Upa即可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。PWM整流器的另一個(gè)主要方面就是PWM調(diào)制，在本系統(tǒng)中采用空間矢量脈寬調(diào)制即SVPWM，這是一種考慮綜合效果最優(yōu)先的PWM方式，特別適合于數(shù)字控制。各空間矢量在逼近給定矢量過(guò)程中所需時(shí)間計(jì)算公式（5）如下：式中Mr調(diào)制比 （6）根據(jù)上述

6、分析，依據(jù)式（1）、（4）、（5）、（6）便可計(jì)算出所需的SVPWM數(shù)據(jù)，從而通過(guò)下述控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)出PWM波形。3. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心控制芯片為：TI公司生產(chǎn)的TMS320F2407芯片。采用該芯片的控制系統(tǒng)與相同的單片機(jī)（以C51為例）控制系統(tǒng)比較，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 指令周期DSP為50ns、C51為1us；（2） DSP采用并行處理技術(shù)解決了傳統(tǒng)單片機(jī)執(zhí)行速度瓶頸；（3） DSP采用外部設(shè)備集成技術(shù)，集成采用的外圍設(shè)備如：ADC轉(zhuǎn)換、串行通訊、9路PWM發(fā)波口、以及輸入輸出口等等。由一片DSP構(gòu)成的控制系統(tǒng)通常只用很少的外圍設(shè)備就可以構(gòu)成。文中控制系統(tǒng)硬件分析如下：由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7、及控制策略可知，系統(tǒng)需要檢測(cè)：輸入電壓峰值與過(guò)零點(diǎn)；輸出電壓大??；參數(shù)給定電壓。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，DSP的ADCIN2、ADCIN3口分別作為檢測(cè)輸出電壓和給定輸出電壓。由CAPTURE1來(lái)檢測(cè)輸入電源電壓過(guò)零點(diǎn)，PI調(diào)節(jié)器由模擬電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件電路框圖如圖4所示。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序的作用是：初始化，開(kāi)中斷，在等待中斷發(fā)生的空閑采集輸入信號(hào)，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位為1。期間為保證程序正常運(yùn)行要禁止看門狗。CAPTURE中斷的作用是：由CAPTURE1口檢測(cè)輸入電壓過(guò)零時(shí)刻。設(shè)置其為上升沿觸發(fā)F240中的INT2中斷。在CAPTURE中斷執(zhí)行中判斷ADC結(jié)束標(biāo)志位是否設(shè)置，然后決定是

8、否賦初值，最后，開(kāi)PWM中斷。在執(zhí)行PWM中斷是判斷扇區(qū)，計(jì)算T1、T2決定開(kāi)關(guān)順序。PWM中斷的作用是：由系統(tǒng)得出的誤差信號(hào)來(lái)計(jì)算空間矢量的各個(gè)脈沖的寬度。5. 程序調(diào)試步驟1. 調(diào)試準(zhǔn)備(1) 連接設(shè)備：關(guān)閉計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)箱電源；關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱上的三個(gè)開(kāi)關(guān)。(2) 開(kāi)啟設(shè)備：打開(kāi)計(jì)算機(jī)電源；打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱電源開(kāi)關(guān)，打開(kāi)ICETEK-LF2407-A 板上電源開(kāi)關(guān)。如使用USB型仿真器用附帶的USB電纜連接計(jì)算機(jī)和仿真器相應(yīng)接口，注意仿真器上兩個(gè)指示燈均亮。設(shè)置Code Composer Studio為Emulator方式。2. 啟動(dòng)Code Composer Studio:啟動(dòng)Code Compos

9、er Studio 2.2。(1) 點(diǎn)擊菜單項(xiàng)DebugConnect確認(rèn)CCS軟件和仿真器連接在一起。(2) 創(chuàng)建新工程。選擇Project->New。(3) 在Project Name框里輸入工程名：LED。點(diǎn)擊Finish，CCS創(chuàng)建一個(gè)叫做LED.prj的工程文件。(4) 選擇Project->Add files to Project，把文件加到工程里。從所創(chuàng)建的文件夾里添加main.c, DoLoop.c, 和lnk.c(映射內(nèi)存的連接命令文件)。3. 編譯工程:單擊“Project”菜單，“Rebuild all”項(xiàng)，編譯工程中的文件，生成Timer.out文件。4.

10、下載程序:單擊“File”菜單，“Load program”項(xiàng)，選擇F:2407ALab3-Timer目錄中的Timer.out 文件，通過(guò)仿真器將其下載到2407A DSP 上。5. 運(yùn)行程序觀察示波器顯示結(jié)果:單擊“Debug”菜單，“Run”項(xiàng)，運(yùn)行程序,查看結(jié)果。單擊“Debug”菜單，“Halt”項(xiàng)，停止程序運(yùn)行。6. 運(yùn)行結(jié)果運(yùn)行參數(shù)：電源電壓為220V，輸入電感為7mH，主開(kāi)關(guān)器件采用GTO（600A/1300V）。圖7為DSP發(fā)出的三相空間矢量PWM波形。在本系統(tǒng)中采用了最小開(kāi)關(guān)損耗方式，由圖7可以看到，在一個(gè)工頻周期內(nèi)有1/3時(shí)間沒(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從這個(gè)意義上講，可以減小1/3的開(kāi)關(guān)損耗。圖8為電源電壓和電流波形，可以看到，電流基本為正弦波并且與電壓保持同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)，用電力諧波分析儀F41B測(cè)得的電流總畸變率THD為5.8%。7. 結(jié)論 雖然我們通過(guò)DSP課程對(duì)DSP有了基本的框架認(rèn)識(shí)，但對(duì)如何在實(shí)踐中運(yùn)用DSP進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題的解決還缺乏能力。本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使我對(duì)DSP有更深的理解與認(rèn)識(shí)。在做本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的。 以TMSF2407為核心構(gòu)成的三相PWM整流器控制系統(tǒng)充