一種pwm整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)，采用TI的Piccolo系列的TMS320F28069?DSP來完成電流滯環(huán)控制，充分利用該芯片雙核處理器的功能，在主CPU中完成PWM整流器設(shè)備的邏輯控制、通訊及三相電流給定的產(chǎn)生，在控制率加速器中完成電流滯環(huán)控制策略，產(chǎn)生PWM脈沖去驅(qū)動主回路的功率開關(guān)管，實現(xiàn)PWM整流器功能?？刂坡杉铀倨鲗⒉⑿锌刂骗h(huán)執(zhí)行功能引入到C28x系列器件。這就極大降低了ADC采樣到輸出的延時，實現(xiàn)了更快的系統(tǒng)響應(yīng)和更高頻率的控制回路。通過利用CLA來服務(wù)對時間要求嚴(yán)格控制回路，主CPU就能自由地處理其它諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)。
【專利說明】—種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的PWM整流器以其功率雙向流動、電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運行、輸入電流正弦度好等諸多優(yōu)點，在交流調(diào)速、不間斷電源、無功補償、新能源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。PWM整流器常用的控制策略 有電流滯環(huán)控制、正弦PWM控制、空間矢量PWM控制等。電流滯環(huán)控制方法具有控制簡單、響應(yīng)快、跟蹤精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，所以在PWM整流器輸出電流的控制環(huán)節(jié)，它是一種常用的控制方法。傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制一般采用模擬電路來實現(xiàn)，但模擬電路較之?dāng)?shù)字電路具有明顯缺陷，如電路的零漂、噪聲的干擾、誤觸發(fā)等。目前采用最多的方法是利用常規(guī)的定頻采樣進行滯環(huán)控制，控制周期大約是幾十到幾百微秒，但由于開關(guān)時間選擇固定，同一指令僅能跟蹤一次，造成實際電流毛刺忽大忽小，電流控制精度不高，控制效果不理想；常規(guī)數(shù)字采樣，各運算控制模塊不能根據(jù)響應(yīng)要求進行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾動能力不高；并且，常規(guī)控制，DSP的主循環(huán)運算和中斷運算之間如果配合不好，將嚴(yán)重影響電流控制的實時性和電流滯環(huán)跟蹤的同步性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的提供一種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)，采用TI的Piccolo系列的TMS320F28069 DSP來完成電流滯環(huán)控制，充分利用該芯片雙核處理器的功能，在主CPU中完成PWM整流器設(shè)備的邏輯控制、通訊及三相電流給定的產(chǎn)生，在控制率加速器中完成電流滯環(huán)控制策略，產(chǎn)生PWM脈沖去驅(qū)動主回路的功率開關(guān)管，實現(xiàn)PWM整流器功能?？刂坡杉铀倨魇且粋€獨立、完全可編程的32位浮點數(shù)學(xué)處理器，它將并行控制環(huán)執(zhí)行功能引入到C28x系列器件。CLA的低中斷延遲使得它能即時讀取ADC采樣。這就極大降低了 ADC采樣到輸出的延時，實現(xiàn)了更快的系統(tǒng)響應(yīng)和更高頻率的控制回路。通過利用CLA來服務(wù)對時間要求嚴(yán)格控制回路，主CPU就能自由地處理其它諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)。
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)的解決方案，具體如下:
[0005]一種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)，包括依次連接的PWM驅(qū)動電路2、三相電壓型逆變器1、電壓和電流信號采集部分3、輸出電感4和三相交流電網(wǎng)5，電網(wǎng)電流和直流電壓經(jīng)過電壓和電流信號信號采集部分3到TI F28069DSP芯片的A/D電路6進行采樣，片內(nèi)的CLA模塊6通過A/D值讀取程序模塊11直接讀取A/D采樣的結(jié)果，并通過平均值計算程序模塊12計算出100微秒的平均值，存儲到CLA-to-CPU RAM存儲器10中，主CPU模塊8能夠每100微秒通過CLA-to-CPU RAM存儲器10來讀取這些采樣值，結(jié)合這些采樣值通過電網(wǎng)電壓鎖相模塊15、直流電壓控制模塊16、開關(guān)頻率控制模塊17和給定電流產(chǎn)生模塊18計算出三相電流給定和滯環(huán)寬度給定存儲到CPU-to-CLA RAM存儲器9中，CLA模塊6每100微秒通過CPU-to-CLA RAM存儲器9來讀取三相電流給定和滯環(huán)寬度給定，通過電流滯環(huán)控制模塊14產(chǎn)生PWM輸出，PWM輸出通過PWM驅(qū)動電路2來控制PWM整流器中三相逆變器IGBT的導(dǎo)通，CLA模塊6中的開關(guān)頻率計算模塊13通過統(tǒng)計每個開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)來計算出每一相的開關(guān)頻率，并能通過CLA-to-CPU RAM存儲器10傳遞給主CPU模塊8，主CPU模塊8讀取到每相的開關(guān)頻率參與到開關(guān)頻率控制模塊17中來產(chǎn)生滯環(huán)寬度給定。
[0006]所述的PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)是通過配置CPU定時器O的周期為5微秒，AD的觸發(fā)源選擇為CPU定時器0，采用降低AD采樣窗口的時間來保證16個通道的采樣在5微秒內(nèi)完成，通過電流滯環(huán)控制模塊來控制開關(guān)管的導(dǎo)通，同時5微秒也實現(xiàn)了 a相橋臂上管和a相橋臂下管的死區(qū)時間。
[0007]本發(fā)明采用TI的Piccolo系列的TMS320F28069 DSP來進行控制，充分利用該芯片雙核處理器的功能。在含有CLA的F28069處理器中，CLA可將CPU解放出來，自動控制外設(shè)的運作，達(dá)到更高的控制精度以及更好的實時性?？朔藗鹘y(tǒng)控制方式的單CPU系統(tǒng)，DSP主循環(huán)運算和中斷運算之間傳遞信息需要占用CPU的開銷時間，本發(fā)明提出的方案可在DSP中并行的工作，CLA和主CPU之間互不影響，同時來進行算法運算和訪問不同的外設(shè)接口。在主CPU中完成每5微秒啟動一次CLA，同時AD采樣的配置也保證5微秒完成一次；PWM整流器系統(tǒng)的邏輯控制、故障保護、直流電壓閉環(huán)控制、三相給定電流的產(chǎn)生、開關(guān)頻率的閉環(huán)控制都在主CPU中完成。主CPU的控制周期為100微秒，每100微秒主CPU和CLA交換一次數(shù)據(jù)。在CLA中完成AD采樣數(shù)據(jù)的讀取、平均值計算、電流滯環(huán)控制策略、PWM輸出和開關(guān)頻率計算等。這樣對每一個電流給定可以完成最多20次的跟蹤，使電流滯環(huán)跟蹤控制相關(guān)運算與給定電流相關(guān)運算分離，以充分利用DSP的雙核處理器功能，保證了電流跟蹤的實時性、同步性及控制精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明采用的數(shù)字控制策略實現(xiàn)示意圖；
[0009]圖2為控制系統(tǒng)采樣環(huán)節(jié)示意圖；
[0010]圖3為a相電流滯環(huán)控制軟件流程圖；
[0011]圖4為單橋臂逆變器原理拓?fù)鋱D；
[0012]圖5為電流滯環(huán)控制原理圖；
[0013]圖6為開關(guān)頻率控制原理框圖；
[0014]圖7為電網(wǎng)電壓鎖相、直流電壓控制、給定電流產(chǎn)生模塊原理框圖。
[0015]圖8為傳統(tǒng)SVPWM控制方式PWM整流器輸出8A無功電流穩(wěn)態(tài)時的電流跟蹤波形。
[0016]圖9為本發(fā)明采用的電流滯環(huán)控制方法PWM整流器輸出8A無功電流穩(wěn)態(tài)時的電流跟蹤波形。
[0017]圖10為電流滯環(huán)控制方法PWM整流器輸出8A無功電流啟動跟蹤波形。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步說明:
[0019]PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)，包括依次連接的PWM驅(qū)動電路2、三相電壓型逆變器1、電壓和電流信號采集部分3、輸出電感4和三相交流電網(wǎng)5，電網(wǎng)電流和直流電壓經(jīng)過電壓和電流信號信號采集部分3到TI F28069 DSP芯片的A/D電路6進行采樣，片內(nèi)的CLA模塊6通過A/D值讀取程序模塊11直接讀取A/D采樣的結(jié)果，并通過平均值計算程序模塊12計算出100微秒的平均值，存儲到CLA-to-CPU RAM存儲器10中，主CPU模塊8能夠每100微秒通過CLA-to-CPU RAM存儲器10來讀取這些采樣值，結(jié)合這些采樣值通過電網(wǎng)電壓鎖相模塊15、直流電壓控制模塊16、開關(guān)頻率控制模塊17和給定電流產(chǎn)生模塊18計算出三相電流給定和滯環(huán)寬度給定存儲到CPU-to-CLA RAM存儲器9中，CLA模塊6每100微秒通過CPU-to-CLA RAM存儲器9來讀取三相電流給定和滯環(huán)寬度給定，通過電流滯環(huán)控制模塊14產(chǎn)生PWM輸出，PWM輸出通過PWM驅(qū)動電路2來控制PWM整流器中三相逆變器IGBT的導(dǎo)通，CLA模塊6中的開關(guān)頻率計算模塊13通過統(tǒng)計每個開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)來計算出每一相的開關(guān)頻率，并能通過CLA-to-CPU RAM存儲器10傳遞給主CPU模塊8，主CPU模塊8讀取到每相的開關(guān)頻率參與到開關(guān)頻率控制模塊17中來產(chǎn)生滯環(huán)寬度給定。
[0020]所述的PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)如圖2所示，是通過配置CPU定時器O的周期為5微秒，AD的觸發(fā)源選擇為CPU定時器0，采用降低AD采樣窗口的時間來保證16個通道的采樣在5微秒內(nèi)完成，通過電流滯環(huán)控制模塊來控制開關(guān)管的導(dǎo)通，圖2中VTl代表a相橋臂上管，VT2代表a相橋臂下管，同時5微秒也實現(xiàn)了 a相橋臂上管和a相橋臂下管的死區(qū)時間，5微秒的控制時間接近模擬電路電流滯環(huán)控制，較常規(guī)的定頻采樣滯環(huán)控制，解決了檢測延遲帶來的影響，同時提高了電流控制的精度。
[0021]所述的PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)的a相電流滯環(huán)控制流程圖如圖3所示，結(jié)合圖4單橋臂逆變器拓?fù)浜蛨D5電流滯環(huán)控制原理對本發(fā)明電流滯環(huán)控制原理進行闡述:在電感電流k正半周，當(dāng)if i*〈 = -h改變功率開關(guān)的狀態(tài)，產(chǎn)生的脈沖信號觸發(fā)導(dǎo)通，電感電流開始增加，直到ifi*>=h時，開關(guān)VTl管關(guān)斷，VT2關(guān)斷或開通時，k將通過VD2續(xù)流，在輸入電壓和電網(wǎng)電壓的作用下，電感電流開始減小，同理可知，在電感電流k負(fù)半周，當(dāng)if i*>=h時，改變功率開關(guān)管的狀態(tài)，產(chǎn)生的脈沖信號觸發(fā)VT2導(dǎo)通，電感電流開始減小，直到時，開關(guān)管VT2關(guān)斷，VTl關(guān)斷或開通時，k將通過VDl續(xù)流，在輸入電壓和電網(wǎng)電壓的作用下，電感電流開始增加，這樣送入到公共交流電網(wǎng)的的電流k以2h的滯環(huán)寬度跟蹤正弦參考電流。b相和c相的控制過程同a相。按照上述控制原理，IGBT高電平導(dǎo)通的情況下，列出每相的控制過程:
[0022]Iaact>IaRef+Ihref下管開通，上管關(guān)斷，PWMl為低電平，PWM2為高電平；
[0023]Iaact〈IaRef_Ihref上管開通，下關(guān)關(guān)斷，PWMl為高電平，PWM2為低電平；
[0024]Ibact>IbRef+Ihref下管開通，上管關(guān)斷，PWM3為低電平，PWM4為高電平；
[0025]Ibact〈IbRef-1href上管開通，下關(guān)關(guān)斷，PWM3為高電平，PWM4為低電平；
[0026]Icact>IcRef+Ihref下管開通，上管關(guān)斷，PWM5為低電平，PWM6為高電平；
[0027]Icact〈IcRef_Ihref上管開通，下關(guān)關(guān)斷，PWM5為高電平，PWM6為低電平。
[0028]Iaact、Ibact 和 Icact 為 CLA 每 5 微秒讀取的 AD 米樣值，IaRef、IbRef、IcRef 和Ihref為每100微秒CLA從主CPU讀取的三相電流給定和滯環(huán)寬度給定。由于功率開關(guān)管固有開關(guān)時間的影響，開通時間往往小于關(guān)斷時間，因此在上下橋臂互補控制時，容易發(fā)生同臂兩個功率開關(guān)管同時導(dǎo)通的短路故障。為防止同一橋臂兩個功率開關(guān)管的直通，在PWM控制信號中，必須設(shè)定“先斷后通”PWM開關(guān)死區(qū)。流程圖中的k和j是為了保證上下管切換時，加入死區(qū)控制的計數(shù)器。整個電流滯環(huán)控制是在CLA中完成的，完全獨立于主CPU運行，控制周期是5微秒，可對同一個指令進行多大20次跟蹤，保證了電流跟蹤的實時性、同步性及控制精度。
[0029]見圖1主CPU中主要包括電網(wǎng)電壓鎖相模塊15、直流電壓控制模塊16、開關(guān)頻率控制模塊17、給定電流產(chǎn)生模塊18。開關(guān)頻率控制模塊如圖6所示，主要包括最大開關(guān)頻率統(tǒng)計1、PI調(diào)節(jié)器2和調(diào)節(jié)器輸出限幅3。它將CLA中計算出來的三相開關(guān)頻率的最大值與給定開關(guān)頻Fref率比較，通過PI調(diào)節(jié)器2產(chǎn)生滯環(huán)寬度給定Ihref，將滯環(huán)寬度給定Ihref傳遞給CLA，由CLA中的電流滯環(huán)控制模塊來保證實際的開關(guān)頻率不超限。主CPU中的其它模塊如圖7所示，直流電壓控制模塊I完成PWM整流器輸出直流電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，將直流電壓給定UdcRef與實際直流電壓Udc進行比較，它們的偏差進行PI調(diào)節(jié)控制，直流電壓環(huán)的輸出是網(wǎng)側(cè)有功電流的給定IdRef ;電網(wǎng)電壓鎖相模塊2完成電網(wǎng)電壓相位和頻率的檢測，將檢測到的電網(wǎng)線電壓Uab、Ubc通過軟件鎖相環(huán)算法計算出電網(wǎng)電壓相位角和頻率，為電流變換提供準(zhǔn)確的相位角；給定電流產(chǎn)生模塊3完成將網(wǎng)側(cè)有功和無功電流給定IdRef、IqRef變換到三相a、b、c軸電流給定IaRef、IbRef和IcRef，CLA接收到三相電流給定和滯環(huán)寬度給定來完成電流滯環(huán)控制。
[0030]本發(fā)明提出的控制策略在15kW的PWM整流器裝置上進行了驗證，圖9和圖10為直流電壓為600V，無功電流給定為8A時的穩(wěn)態(tài)電流跟蹤波形和啟動電流跟蹤波形。圖8為傳統(tǒng)SVPWM控制方式PWM整流器輸出8A無功電流穩(wěn)態(tài)時的電流跟蹤波形。從圖8和圖9的波形對比，可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明提出的PWM整流器控制策略的電流跟蹤精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的控制方式，有效地抑制了電流毛刺忽大忽小的現(xiàn)象。從圖10的啟動電流跟蹤波形可以看出，本發(fā)明提出的PWM整流器控制策略動態(tài)響應(yīng)特性非常好，啟動后，實際電流在一個電網(wǎng)周波(20ms)內(nèi)就可以跟蹤上給定電流，克服了傳統(tǒng)控制方式由于檢測和計算延遲帶來的電流動態(tài)響應(yīng)慢的問題。
[0031]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于包括依次連接的PWM驅(qū)動電路(2)、三相電壓型逆變器(I)、電壓和電流信號采集部分(3)、輸出電感(4)和三相交流電網(wǎng)(5)，電網(wǎng)電流和直流電壓經(jīng)過電壓和電流信號信號采集部分(3)到TI F28069 DSP芯片的A/D電路(6)進行采樣，片內(nèi)的CLA模塊(6)通過A/D值讀取程序模塊(11)直接讀取A/D采樣的結(jié)果，并通過平均值計算程序模塊(12)計算出100微秒的平均值，存儲到CLA-to-CPU RAM存儲器(10)中，主CPU模塊⑶能夠每100微秒通過CLA-to_CPU RAM存儲器(10)來讀取這些采樣值，結(jié)合這些采樣值通過電網(wǎng)電壓鎖相模塊(15)、直流電壓控制模塊(16)、開關(guān)頻率控制模塊(17)和給定電流產(chǎn)生模塊(18)計算出三相電流給定和滯環(huán)寬度給定存儲到CPU-to-CLA RAM存儲器(9)中，CLA模塊(6)每100微秒通過CPU-to-CLARAM存儲器(9)來讀取三相電流給定和滯環(huán)寬度給定，通過電流滯環(huán)控制模塊(14)產(chǎn)生PWM輸出，PWM輸出通過PWM驅(qū)動電路⑵來控制PWM整流器中三相逆變器IGBT的導(dǎo)通，CLA模塊(6)中的開關(guān)頻率計算模塊(13)通過統(tǒng)計每個開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)來計算出每一相的開關(guān)頻率，并能通過CLA-to-CPU RAM存儲器(10)傳遞給主CPU模塊(8)，主CPU模塊(8)讀取到每相的開關(guān)頻率參與到開關(guān)頻率控制模塊(17)中來產(chǎn)生滯環(huán)寬度給定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的PWM整流器電流滯環(huán)控制數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)是通過配置CPU定時器(O)的周期為5微秒，AD的觸發(fā)源選擇為CPU定時器(O)， 采用降低AD采樣窗口的時間來保證16個通道的采樣在5微秒內(nèi)完成，通過電流滯環(huán)控制模塊來控制開關(guān)管的導(dǎo)通，同時5微秒也實現(xiàn)了 a相橋臂上管和a相橋臂下管的死區(qū)時間。
【文檔編號】H02M7/797GK103684031SQ201310674941
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】秦承志 申請人:蘇州景新電氣有限公司