摘 要：本文主要介紹了基于DSP" title="DSP">DSP實現的PWM" title="PWM">PWM整流回饋" title="整流回饋">整流回饋系統的設計。該設計可以做到輸入電流正弦、單位功率因數、直流母線電壓輸出穩定，具有良好的動態性能并可實現能量的雙向流動（即四象限運行），最終給出實驗波形，驗證了系統的可行性。
1 引言
隨著電網諧波污染問題的日益嚴重和人們對高性能電力傳動技術的需要，人們對PWM整流技術給予了越來越多的關注。PWM整流器可以做到輸入電流正弦、單位功率因數、直流電壓輸出穩定，具有良好的動態性能并可實現能量的雙向流功，也就能夠實現系統的四象限運行，即快速制動和能量回饋。與傳統的整流器（即不控整流或相控整流）相比，具有很多優點。本文主要通過系統方案的設計、軟件和硬件等幾個方面對系統進行研究和探討，最終給出實驗波形，驗證了系統的可行性。
2 設計方案
根據圖1（系統框圖）所示，系統主要分為三個部分：模擬信號采集、DSP控制器和PWM驅動電路。其中模擬信號采集部分主要完成對三相交流電壓、電流的采集和直流母線電壓的采集；控制器通過采集到的模擬信號進行算法控制，最終產生預期的PWM波，進而通過驅動電路控制IGBT的通斷，來實現了整個系統的設計。
圖1 系統框圖
作為PWM整流回饋系統，主要目的是實現單位功率因數、穩定直流母線電壓輸出和能量的雙向流動，下面針對這三個方面對系統進行探討和研究：
為實現整流和能量回饋的功率因數為1，同時也減少了對電網的污染，首先應該對三相電壓進行鎖相，這樣可以保證在整流時的電流相位和電壓相位同相和能量回饋時電壓相位和電流相位相差180度，因此鎖相的精度直接影響到整流和回饋時的質量。鎖相環的設計，可以分為硬件鎖相環和軟件鎖相環，采用硬件鎖相環需要在系統上增加新的硬件，同時也增加了成本，因此，在本設計中采用軟件鎖相技術。
圖2 電壓矢量相位圖
如圖2所示，當電網電壓幅值Us不變時，Uq直接反應了d軸與電網電壓Us的相位關系，當Uq>0時，d軸滯后于電網電壓Us；當Uq<0時，d軸超前于電網電壓Us；當Uq=0時，d軸與電網電壓Us同相。基于上述分析，設計如下鎖相環。首先虛擬一個同步角度，使其角速度與電網電壓相同，然后利用該角度對三相輸入電壓進行CLARKE變換和PARK變換，使電壓矢量從三相靜止坐標系變換到兩項旋轉坐標系中，同時令q軸電壓的參考值為零，并將q軸電壓值和參考值送入PI調節器，PI調節器輸出為同步角度與虛擬同步角度的誤差，并將其輸出對虛擬同步角度進行補償，再利用補償后的角度進行PARK變換，這樣構成一閉環控制，最終實現了軟件鎖相環。
圖3 鎖相環結構框圖
為實現母線電壓輸出的穩定，同時實現能量的雙向流動，即當母線電壓高于期望值時，能量回饋電網，當母線電壓低于期望值時，能量流向基側，進行升壓。在這個環節中，采用雙閉環控制，即電流環和電壓環控制。如圖5所示，電壓環作為外環控制，根據給定電壓和實測母線電壓的關系，通過PI調節后，計算出電流的給定值；電流環作為內環控制，根據外環計算出的電流給定值，進行閉環控制，最終實現了單位功率因數整流和回饋。對三相交流信號進行閉環控制是很困難的，精度也不高，因此，我們采用矢量分解的方式，將三相交流信號從靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系中，并對d軸和q軸信號進行控制。
圖4 整流器交流側穩態矢量圖
根據圖4所示，可得出PWM整流器數學模型：
由上式可以看出，變換器交流側電流的d、q軸分量存在著相互耦合項，無法對電流的d、q軸分量進行單獨控制，給控制器的設計造成一定困難，為此，本文采用前饋解耦控制策略，利用PI調節器對其進行解耦。解耦的具體過程如圖5的虛線部分所示。
圖5 雙閉環控制結構圖
3 系統設計
本文采用TI公司的TMS320C2812" title="TMS320C2812">TMS320C2812作為主控制器，ADS7864Y作為模擬信號采集器對三相電壓和三相電流及直流母線電壓進行采集，并采用一片CPLD進行系統的邏輯控制，系統的硬件框圖如下圖所示。
圖6 硬件系統框圖
由DSP控制器周期的控制AD轉換器，對三相電壓及三相電流進行采集，同時對母線電壓進行采集，將采集到的三相電壓信號進行軟件鎖相環控制，即采用上文所述的鎖相方式，最終得到一個穩定的、準確的電網電壓相位，為系統整流及回饋做準備。由于ADS7864Y只有六路AD通道，所以母線電壓采用DSP控制器的內部AD轉換器進行轉換，并根據采集到的母線電壓進行判斷分析，當電壓過高時，系統對電網進行回饋，當電壓過低時，系統對基側進行整流提升電壓。在這個過程中，最終體現到PWM波的輸出，PWM波的相位角度直接影響到系統性能，本文采用前饋解耦控制策略，即利用PI調節器對其進行解耦，最終以空間矢量PWM波的形式輸出，實現系統的整流和回饋功能。軟件流程圖如下所示：
圖7 軟件流程圖
4 結論
本文將PWM整流逆變技術應用于能量回饋裝置中，最終實現了能量的再生利用，并且保證了回饋到電網中的能量諧波含量低，功率因數高，不會對電網產生“污染”，驗證了系統方案的正確性和合理性，同時做到了經濟、環保、節能，具有良好的經濟效益和社會效益。