基于DSP的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計

自動化工程學院DSP期末論文題目：基于DSP的三相電壓型PWM整流器限制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級：限制理論與限制工程學號：2011020311學生姓名：賈路明2011年12月25日1.引言三相整流器在中等功率及大功率電能變換中應用很廣，通常作為逆變電路或是大型UPS電源的前級直流電源。依據(jù)限制策略的不同，三相電壓型PWM整流器的限制系統(tǒng)可由模擬電路或單片機擴展外圍設(shè)備來實現(xiàn)。模擬電路構(gòu)成的限制系統(tǒng)叫單片機系統(tǒng)調(diào)整速度要快，但隨環(huán)境和溫度的變更，系統(tǒng)的參數(shù)會發(fā)生變更，且系統(tǒng)可能發(fā)生的故障點較多，維護相對困難。相對而言，單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，但由于單片機的固有特性，對于這樣一個多變量的困難系統(tǒng)，它的運算實力和運算速度難以滿意要求，影響系統(tǒng)的性能。文中指出一種采納DSP限制的三相整流器的新型間接電流限制系統(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，采納TMS320F2407為核心限制芯片，實現(xiàn)以空間矢量限制的數(shù)字算法和和快速、實時限制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊簡潔，具有更廣泛的應用價值和前景。2.限制系統(tǒng)原理分析三相電壓型PWM整流器限制有干脆電流限制和間接電流限制兩種。在干脆電流限制中干脆檢測溝通側(cè)電流信號加以限制，系統(tǒng)響應快，動態(tài)響應好，但檢測量過多，可限制困難。間接電流限制又稱相位幅值限制，具有檢測量少、限制簡潔、概念清楚的特點，可得到最優(yōu)的性能價格比。圖1為典型的三相電壓型整流器的主電路拓撲，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為橋臂中點電位即整流器前端電壓的基波幅值、UL（UL=ωIL）為升壓電感兩端電壓有效值（在等效電路中忽視了電感電阻），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，依據(jù)圖2b，Upa的大小應滿意下式：（1）假設(shè)輸出電容有一個中心抽頭，則圖1整流器輸入則a點對此中心抽頭間的電壓波形與開關(guān)元件的觸發(fā)波形一樣，即整流器前端電壓波形與開關(guān)元件PWM波形的相位及各脈沖間距均相同。因此，通過變更開關(guān)元件觸發(fā)信號的相位及調(diào)制比Mr就可以調(diào)整Upa的相位和幅值，從而達到實現(xiàn)功率因數(shù)為1。文中PWM信號采納空間矢量調(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，和Upa的算法完全依據(jù)向量圖并依靠于主電路參數(shù)，如下式：（2）（3）式（2）和式（3）的運算量較大并且與主電路參數(shù)相關(guān)聯(lián)，不易實現(xiàn)實時限制，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限制是將PI調(diào)整器輸出作為滯后角的給定，而角作為被控對象的輸入變量并依據(jù)能量守恒原則和系統(tǒng)的調(diào)整關(guān)系以及向量關(guān)系確定限制算法，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。這種限制策略是將誤差信號經(jīng)PI調(diào)整器后輸出作為滯后角，其靜態(tài)關(guān)系如下：（4）限制過程：當負載擾動使Udc上升即誤差e下降時，由式（4）得出減小，從圖2b可知，輸入電流I隨之減小。依據(jù)能量守恒原則（忽視其他損耗）有：3EaI/2=Udc2/Rf，因此Udc將減小，即Udc負載擾動調(diào)整勝利。同理可知，當負載電壓Udc下降時，調(diào)整過程類似。將PI調(diào)整器的輸出轉(zhuǎn)換成角度（即角），并按式（1）計算出整流器前端電壓幅值Upa即可實現(xiàn)單位功率因數(shù)。PWM整流器的另一個主要方面就是PWM調(diào)制，在本系統(tǒng)中采納空間矢量脈寬調(diào)制即SVPWM，這是一種考慮綜合效果最優(yōu)先的PWM方式，特殊適合于數(shù)字限制。各空間矢量在靠近給定矢量過程中所需時間計算公式（5）如下：式中Mr——調(diào)制比（6）依據(jù)上述分析，依據(jù)式（1）、（4）、（5）、（6）便可計算出所需的SVPWM數(shù)據(jù)，從而通過下述限制系統(tǒng)實時發(fā)出PWM波形。限制系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)核心限制芯片為：TI公司生產(chǎn)的TMS320F2407芯片。采納該芯片的限制系統(tǒng)與相同的單片機（以C51為例）限制系統(tǒng)比較，有以下優(yōu)點：指令周期DSP為50ns、C51為1us；DSP采納并行處理技術(shù)解決了傳統(tǒng)單片機執(zhí)行速度瓶頸；DSP采納外部設(shè)備集成技術(shù)，集成采納的外圍設(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)成的限制系統(tǒng)通常只用很少的外圍設(shè)備就可以構(gòu)成。文中限制系統(tǒng)硬件分析如下：由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及限制策略可知，系統(tǒng)須要檢測：輸入電壓峰值與過零點；輸出電壓大?。粎?shù)給定電壓。依據(jù)系統(tǒng)限制要求，DSP的ADCIN2、ADCIN3口分別作為檢測輸出電壓和給定輸出電壓。由CAPTURE1來檢測輸入電源電壓過零點，PI調(diào)整器由模擬電路實現(xiàn)，系統(tǒng)硬件電路框圖如圖4所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序的作用是：初始化，開中斷，在等待中斷發(fā)生的空閑采集輸入信號，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標記位為1。期間為保證程序正常運行要禁止看門狗。CAPTURE中斷的作用是：由CAPTURE1口檢測輸入電壓過零時刻。設(shè)置其為上升沿觸發(fā)F240中的INT2中斷。在CAPTURE中斷執(zhí)行中推斷ADC結(jié)束標記位是否設(shè)置，然后確定是否賦初值，最終，開PWM中斷。在執(zhí)行PWM中斷是推斷扇區(qū)，計算T1、T2確定開關(guān)依次。PWM中斷的作用是：由系統(tǒng)得出的誤差信號來計算空間矢量的各個脈沖的寬度。5.程序調(diào)試步驟1.調(diào)試打算(1)連接設(shè)備：關(guān)閉計算機和試驗箱電源；關(guān)閉試驗箱上的三個開關(guān)。(2)開啟設(shè)備：打開計算機電源；打開試驗箱電源開關(guān)，打開ICETEK-LF2407-A板上電源開關(guān)。如運用USB型仿真器用附帶的USB電纜連接計算機和仿真器相應接口，留意仿真器上兩個指示燈均亮。設(shè)置CodeComposerStudio為Emulator方式。2.啟動CodeComposerStudio:啟動CodeComposerStudio2.2。點擊菜單項Debug\Connect確認CCS軟件和仿真器連接在一起。創(chuàng)建新工程。選擇Project->New。在ProjectName框里輸入工程名：LED。點擊Finish，CCS創(chuàng)建一個叫做LED.prj的工程文件。選擇Project->AddfilestoProject，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)存的連接吩咐文件)。3.編譯工程:單擊“Project”菜單，“Rebuildall”項，編譯工程中的文件，生成Timer.out文件。4.下載程序:單擊“File”菜單，“Loadprogram…”項，選擇F:\2407A\Lab3-Timer書目中的Timer.out文件，通過仿真器將其下載到2407ADSP上。運行程序視察示波器顯示結(jié)果:單擊“Debug”菜單，“Run”項，運行程序,查看結(jié)果。單擊“Debug”菜單，“Halt”項，停止程序運行。運行結(jié)果運行參數(shù)：電源電壓為220V，輸入電感為7mH，主開關(guān)器件采納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)中采納了最小開關(guān)損耗方式，由圖7可以看到，在一個工頻周期內(nèi)有1/3時間沒有開關(guān)動作，從這個意義上講，可以減小1/3的開關(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，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)，用電力諧波分析儀F41B測得的電流總畸變率THD為5.8%。7.結(jié)論雖然我們通過DSP課程對DSP有了基本的框架相識，但對如何在實踐中運用DSP進行實際問題的解決還缺乏實力。本次創(chuàng)新設(shè)計，使我對DSP有更深的理解與相識。在做本次創(chuàng)新設(shè)計的過程中，我感受最深的當屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)計資料是非常必要的。以TMSF2407為核心構(gòu)成的三相PWM整流器限制系統(tǒng)充分