三相PWM整流器电压空间矢量控制的实现

2007年06月27日

摘要：提出了一种便于数字实现的三相PWM整流器电压空间矢量的控制算法，该算法采用输入电压空间矢量定向，根据参考电压矢量直接计算空间电压矢量的位置和作用时间；利用DSP（数字处理器）实现了三相PWM整流器全数字化控制，并得出了最终实验结果。

英文摘要：The paper present a suitable digital algorithm for the three-phase rectifier with voltage space vector, which calculate vector position and operation time directly with the input voltage space vector orientation and recording to reference voltage; The full digital control of three-phase PWM rectifier with DSP is achieved, and Final experimental results are also given.

关键词： PWM 整流器电压空间矢量

1　引言
　　PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合了PWM控制技术的新型整流器称为PWM整流器。空间电压矢量PWM控制策略是依据变流器空间电压矢量来控制变流器的一种新颖思路的控制策略，最早由日本学者在20世纪80年代初针对交流电动机变频驱动而提出的，目前已成为电压源型PWM整流器（VSR）控制研究的热点[1]。
　　在分析了电压空间矢量控制原理的基础上，提出一种便于数字实现的控制算法，采用输入电压空间矢量定向，直接计算空间电压矢量的位置和作用时间，从而大大简化了计算，并利用数字处理器（DSP）实现了三相PWM 整流器空间矢量的全数字控制,得出了最终实验波形。

2　电压空间矢量控制的基本原理
　　电压源型三相PWM整流器如图1所示。

图1 PWM整流电路结构

　　三相整流电路由6个IGBT构成。设电网电压三相对称:
           （1）
　　设合成电压矢量为:
         （2）
　　开关函数Sk定义为：
　　Sk=1 上桥臂IGBT导通；
　　下桥臂IGBT截止。
　　Sk=0 上桥臂IGBT截止；
　　下桥臂IGBT导通。
　　k=a,b,c。
　　根据以上定义，共有8种工作状态：(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)，即V0～V7。8种开关状态依次带入式（2），可得到模为2/3Vdc，相位依次相差的6个非零矢量V0～V5和两个零矢量V6，V7。电压空间矢量的分布位置如图2所示。空间矢量PWM控制就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[2]。
　　以图2所示V*矢量所处位置为例,产生PWM输出的一个简便方式就是利用扇区1的相邻矢量V4和V6,使其各自工作部分时间,从而使平均输出满足参考矢量的要求[3]。

图2 电压空间矢量分布

3　电压空间矢量的简化算法
　　为避免传统算法中的反正切计算，采用了一种电压空间矢量的简化算法，可直接采用参考电压来判断扇区和作用时间。
　　3.1 扇区的确定
　　为计算电压合成空间矢量的区间号（sector=1,2……6），定义一种新的二相到三相的变换，其中Uα、Uβ为空间矢量V*在α，β轴上的坐标值。
　　
　　若： va>0，则A=1，否则A=0；
　　vb>0，则B=1，否则B=0；
　　vc>0，则C=1，否则C=0。
　　设sector=A+2B+4C
　　当sector=3，则V*位于图3所示的Ⅰ扇区；
　　sector=1，则V*位于图3所示的Ⅱ扇区；
　　sector=5，则V*位于图3所示的Ⅲ扇区；
　　sector=4，则V*位于图3所示的Ⅳ扇区；
　　sector=6，则V*位于图3所示的Ⅴ扇区；
　　sector=2，则V*位于图3所示的Ⅵ扇区。
　　3.2 开关矢量及其作用时间的确定
　　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1中没有列入后三段矢量[2]。
　　　　　　　

　　根据参考电压，可直接计算空间矢量在各扇区的工作时间。以图2所示位置为例，参考电压V*由其所在扇区的两个相邻矢量V4，V6合成。
　　
　　其中Ts为开关周期，vdc为直流侧电压矢量。在其余各扇区均有此类似关系。根据以上关系进行推导归纳，T1，T2可通过下面计算形式并结合合成电压矢量所在扇区进行判断。
　　电压矢量的作用时间按扇区号分配如表2。
　　　　　　　

4　基于DSP的软件实现
　　在分析了电压空间矢量的基本原理及简化算法的基础上，采用TI公司的32位高性能数字信号处理器TMS320F2812为控制核心，实现了三相PWM整流器的全数字化控制。
　　系统采用了直流电压外环和输入电流内环的双闭环控制方式。其中电压外环保证直流输出电压的稳定，输入电流内环用于提高系统的动态性能和实现限流保护。采集的反馈信号有输入线电压uab、ubc，输入相电流ia、ib，网压频率f和直流母线电压Vdc。
　　系统控制结构框图见图3，直流输出电压给定信号和实际直流电压Vdc比较后的误差信号送入PI调节器，PI调节器的输出即为交流侧电流d轴分量指令值，为使交流侧无功功率为零，取q轴指令值，与实际反馈比较得到电流误差，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。然后再与交流侧电压的空间矢量进行比较控制，得到参考矢量V*，再通过SVPWM调制算法，即可生成相应6路驱动脉冲控制三相脉冲整流器IGBT的通断。

5 实验结果
　　基于以上分析,主电路IGBT采用Eupec公司200A/600V的低损耗IGBT模块BSM200GB60DLC，交流侧输入电压为三相交流167V，频率50Hz。主回路电感2.25mH，直流侧电容4400μF，直流侧电压Vdc=300V。开关频率为6kHz。控制电路采用TI公司的32位高性能数字信号处理器TMS320F2812为主控芯片。
　　电压电流波形如图4所示。