基于DSP实现的PWM整流回馈系统的设计

　　1 引言

　　随着电网谐波污染问题的日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要，人们对PWM整流技术给予了越来越多的关注。PWM整流器可以做到输入电流正弦、单位功率因数、直流电压输出稳定，具有良好的动态性能并可实现能量的双向流功，也就能够实现系统的四象限运行，即快速制动和能量回馈。与传统的整流器(即不控整流或相控整流)相比，具有很多优点。本文主要通过系统方案的设计、软件和硬件等几个方面对系统进行研究和探讨，最终给出实验波形，验证了系统的可行性。

　　2 设计方案

　　根据图1(系统框图)所示，系统主要分为三个部分：模拟信号采集、DSP控制器和PWM驱动电路。其中模拟信号采集部分主要完成对三相交流电压、电流的采集和直流母线电压的采集;控制器通过采集到的模拟信号进行算法控制，最终产生预期的PWM波，进而通过驱动电路控制IGBT的通断，来实现了整个系统的设计。

图1 系统框图

　　作为PWM整流回馈系统，主要目的是实现单位功率因数、稳定直流母线电压输出和能量的双向流动，下面针对这三个方面对系统进行探讨和研究：

　　为实现整流和能量回馈的功率因数为1，同时也减少了对电网的污染，首先应该对三相电压进行锁相，这样可以保证在整流时的电流相位和电压相位同相和能量回馈时电压相位和电流相位相差180度，因此锁相的精度直接影响到整流和回馈时的质量。锁相环的设计，可以分为硬件锁相环和软件锁相环，采用硬件锁相环需要在系统上增加新的硬件，同时也增加了成本，因此，在本设计中采用软件锁相技术。

图2 电压矢量相位图

　　如图2所示，当电网电压幅值Us不变时，Uq直接反应了d轴与电网电压Us的相位关系，当Uq>0时，d轴滞后于电网电压Us;当Uq<0时，d轴超前于电网电压Us;当Uq=0时，d轴与电网电压Us同相。基于上述分析，设计如下锁相环。首先虚拟一个同步角度，使其角速度与电网电压相同，然后利用该角度对三相输入电压进行CLARKE变换和PARK变换，使电压矢量从三相静止坐标系变换到两项旋转坐标系中，同时令q轴电压的参考值为零，并将q轴电压值和参考值送入PI调节器，PI调节器输出为同步角度与虚拟同步角度的误差，并将其输出对虚拟同步角度进行补偿，再利用补偿后的角度进行PARK变换，这样构成一闭环控制，最终实现了软件锁相环。

图3 锁相环结构框图

　　为实现母线电压输出的稳定，同时实现能量的双向流动，即当母线电压高于期望值时，能量回馈电网，当母线电压低于期望值时，能量流向基侧，进行升压。在这个环节中，采用双闭环控制，即电流环和电压环控制。如图5所示，电压环作为外环控制，根据给定电压和实测母线电压的关系，通过PI调节后，计算出电流的给定值;电流环作为内环控制，根据外环计算出的电流给定值，进行闭环控制，最终实现了单位功率因数整流和回馈。对三相交流信号进行闭环控制是很困难的，精度也不高，因此，我们采用矢量分解的方式，将三相交流信号从静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，并对d轴和q轴信号进行控制。