参考基于dsp（数字信号处理器）的直接功率控制系统硬件设计

江西理工大学2012届本科生毕业设计(论文)目 录第一章绪论11.1 PWM整流器控制研究现状及趋势11.1.1 PWM整流器系统控制策略的研究21.1.2 非线性控制策略分析31.2 电压型PWM整流器性能指标3第二章 电压型PWM整流器的原理及基本控制策略62.1 电压型PWM 整流器主电路拓补结构62.2 电压型PWM整流器工作原理72.3电压型PWM整流器数学模型的建立92.3.1 考虑各种因素时的电压型PWM整流器等效电路102.3.2 电源不平衡时电压型PWM整流器数学模型112.3.3 两相旋转坐标系dq下的数学模型122.4 PWM整流器空间矢量算法142.5 电压型PWM整流器直接功率控制152.5.1功率理论162.5.2电压型PWM整流器电压定向直接功率控制16第三章 硬件平台搭建203.1 主电路硬件设计213.1.1 主功率开关器件的选择213.1.2 交流侧电感的选择23813.1.3.直流侧电容选择243.2 控制电路硬件设计263.2.1控制模块处理器的选择263.2.2 事件管理器模块273.2.3信号检测电路323.2.4数字采样调理电路353.2.5驱动及保护电路38第四章 系统软件设计404.1 主程序模块设计404.2通用定时器中断程序434.3 A/D转换软件模块454.4 直流电压检测模块474.5 交流电压检测模块484.6 电流检测模块494.7 直接功率控制算法50第五章 结 论52参考文献53致谢54第一章绪论进入20世纪90年代以后，PWM整流器一直是研究的热点。对PWM整流器相关的应用领域的研究也越来越多，在有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电及统一潮流控制等方面的应用，使PWM整流器进入了越来越多的应用阶段。而这些应用领域的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。在小功率应用方面，PWM整流器主要用于通讯电源、家用电器等，其功率因数近似为l，而且系统效率在90以上。许继电源公司在引入东芝技术基础上，开发出POWERSTAR系列UPS I输入功率因数大于0.97，电流失真率小于25，稳压精度小于15，功率等级可以做到100 kVA。在中等功率应用方面，PWM整流器主要用于传动领域，即可以实现输入侧高功率因数、减少直流电压波动，又可以使得能量回馈给电网。例如国外富士公司生产的RHC系列双PWM交流传动系统，输入侧功率因数近似为1，可以高效率地进行能量再生。ABB公司生产四象限运行的交流调速系统，如ACS611ACS617(容量在1.5KW-1.12MW)。在大功率应用方面，PWM整流器主要应用于灵活交流输电(FACTS)，如有源滤波器(APF)等，以及轻型直流输电(LHVDC)方面。但是由于PWM整流器的成本较高，控制过程较为复杂，限制了其推广应用的范围。目前，三电平PWM整流器的研究也进入了新的阶段，主要应用于高压大功率场合，与两电平整流器相比，其输入电流畸变率低，且每只元件承受的电压较低。因此，三电平PWM整流器日益成为新的研究热点。在交流网侧，使用功率二极管或晶闸管实现不控整流和可控整流（相控整流）的整流器，电流波形畸变给电网注入了大量的谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”；对于可控整流器，在深控时存在功率因数低、直流电压波动等问题，制约了整流器在工业中的应用。近年来开始对电压型PWM整流器进行了研究，电压型PWM整流器具有交流侧交流电流低谐波、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优点，日益引起人们的关注。由于电压型PWM整流器具有上述优点，现已开始应用于单位功率因数整流、工业直流电源、交流传动等工业领域中。1.1 PWM整流器控制研究现状及趋势为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类:一类是由J.W.Dixon提出的间接电流控制策略;另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于间接电流控制的网侧电流动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己经逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制以其快速的电流响应和鲁棒性受到了重视，出现了不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制，以及滞环电流控制。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器中取得了广泛的应用，并提出了多种方案。目前电压型PWM整流器网侧电流控制已开始将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合，以使其在大功率有源滤波等需快速电流响应场合获得优越的性能。此外，控制策略上还出现了状态反馈控制。1.1.1 PWM整流器系统控制策略的研究在对PWM整流器的研究过程中，出现了一些较为新颖的控制策略:(1) PWM整流器的时间最优控制常规的dq模型的电压型PWM整流器控制一般通过前馈解祸控制，并采用两个独立的PI调节器，分别控制相应的有功、无功分量。而有功、无功分量间的动态祸合和PWM电压利用率的约束，影响了电压型PWM整流器有功分西华大学硕士学位论文量的动态响应。针对这一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制。其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制。(2) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制为了简化信号的检测，TNgouchi等学者提出了一种无电网电动势传感器PWM整流器控制策略。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案:一种是通过功率估计，另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。M.Riese则通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流，进而实现无交流电流传感器控制。(3) 电网不平衡条件下的PWM整流器控制一般的策略研究总是假设电网是平衡的。实际上，电网经常处于不平衡状态。当电网出现不平衡时，以三相电网平衡为约束所设计的整流器会出现不正常运行，表现为:PWM整流器直流侧电压和交流侧的低次谐波幅值增大，且产生非特征波形，同时损耗相应增大。PWM整流器的交流侧电流不平衡，严重时可使整流器故障烧毁。为了能使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有学者提出了不平衡条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式，认为电网负序分量使导致网侧电流畸变的原因。电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会产生奇次谐波分量。DVincneti等人较为系统地提出了正序dq坐标系中地前馈控制策略，即通过负序分量地前馈控制来抑制电网负序分量地影响。但是由于该方法地负序分量在dq坐标下不是直流量，导致Pl调节不能实现无静差控制。因此，又有学者提出了正、负序双旋转坐标系控制，该方法实现了无静差控制。但是，双旋转坐标系控制度的结构比较复杂，运算量大。(4) 基于LyPamiov稳定理论的PWM整流器控制针对PWM整流器的非线性多变量强祸合的特点，常规的控制策略和控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性处理方法，这种方法的不足之处是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，有学者提出了基于LyPaunov稳定性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了Lypamioav函数，并由三相PwM整流器的dq模型以及相应的空间矢量西华大学硕士学位论文PWM约束条件，推导出相应的控制算法。这一方案较好的解决了PWM整流器的大范围稳定控制问题。1.1.2 非线性控制策略分析由于电压型PWM整流器属于非线性混合控制系统，基于小信号模型用线性控制方法进行研究已不适应。对此，为提高整流器的性能，应用非线性控制理论或新的方式研究电压型PWM整流器控制系统，成为国内外学者研究的新热点。(1) 功率控制从能量的角度看，在交流电压一定的情况下，如果能控制PWM整流器的瞬时功率在允许的范围内，也就间接地控制了瞬时电流在允许的范围内，此种控制策略即为直接功率控制。直接功率控制（DPC）系统结构是以直流侧电压为外环、瞬时功率控制为内环的双闭环系统。从功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流侧电压一定的情况下，通过控制流入整流器瞬时有功功率和无功功率，来达到控制瞬时输入电流的目的，从而获得预设的功率因数和功率流动方向。实现了高性能整流，与通常的电流控制策略相比，直接功率控制PWM整流器具有更高的功率因数、响应快、高效率、算法和系统结构简单等优点。(2) 反馈线性化控制反馈线性化控制通过适当的非线性状态和反馈变化，是系统实现状态或输入、输出的精确线性化，从而将复杂的非线性系统综合问题转化为线性系统的综合问题。它的理论基础是微分几何理论。非线性系统反馈线性化与传统的利用泰勒级数展开进行局部线性化近似的方法不同，在线性化过程中没有忽略任何高阶非线性项，因此，这种线性化不仅是精确的，而且是整体的，即线性化对变换有定义的整个区域都适用。1.2 电压型PWM整流器性能指标对电压型PWM整流器最基本性能要求是：交流侧功率因数高（接近于1），交流电流的谐波电流在允许范围内；直流侧的直流电压可控，直流电压中的交流分量，即纹波电压被控制在允许的范围内。整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰和电磁兼容以及静态和动态控制精度、对控制指令的响应特性也是评价整流器的重要指标。1.电压波形系数电压波形系数定义为输出电压有效值UD与直流电压平均值UDC之比，即（1-1）2. 电压纹波系数电压纹波系数定义为整流器输出电压中除UDC外的交流谐波电压分量的有效值（又称为纹波电压）与输出直流电压平均值UDC之比，常用表示，即（1-2）输出直流电压中交流谐波电压分量的有效值可用输出电压有效值与直流电压平均值表示，即。则有（1-3）3. 电压脉动系数电压脉动系数定义为n次谐波幅值与直流电压平均值UDC之比，即：（1-4）4. 输入功率因数输入功率因数定义为交流电源输入有功功率平均值PAC与其视在功率S比，即：（1-5）若输入电压、电流为无畸变的正弦波，若谐波电压、电流在一个周期内平均功率为0（瞬时功率不为0），只有同频率的基波电压、电流形成有功功率，则有（1-6）为功率因数。5. 输入电流总畸变率交流输入电流中的除基波电流外通常还有含有各次谐波电流，输入电流谐波因数或总畸变率（Total Harmonic Distortion ,THD）定义为基波电流外所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比，即（1-7）式中，为第次n谐波电流有效值；对于380V交流电源，。第二章 电压型PWM整流器的原理及基本控制策略因为自关断功率器件的出现和日益发展成熟，PWM控制技术得到了飞速发展，成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子的发展起着巨大作用。PWM作为现代电力电子装置中常用的一种功率变换方式，它的基本原理是通过对功率器件的导通与关断进行控制，使输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，并按一定的规则对脉冲信号的宽度进行调制，既可改变输出电压的大小，也可改变输出频率，大大加快系统的动态响应。2.1 电压型PWM 整流器主电路拓补结构PWM整流器分为电压型和电流型两类。电压型PWM整流器主电路拓补结构有多种类型。电压型PWM整流器显著特点是直流侧接电容器，对直流电压进行滤波，获得平稳的直流电压。近年来对于三相电压型PWM 整流器拓扑结构的研究在小功率场合主要集中在减少功率开关和改进直流输出性能上；对于大功率场合主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上。目前较成熟的拓扑有两电平和三电平PWM 整流器结构。如图2-1是三相电压型两电平PWM整流器电路拓补结构，图2-2是三相电压型三电平PWM整流器电路拓补结构。图2-1电压型两电平PWM 整流器电路拓补结构三相电压型两电平PWM 整流器是最基本的PWM 整流电路，因为结构简单、控制算法相对成熟，得到了广泛应用。与其相比三电平PWM 整流器每个桥臂多了两个开关管和两个箝位二极管，电路结构复杂、存在中点电位平衡问题、控制算法繁琐，但因此种电路具有更大的变换功率、更低的输入电流畸变率等优点，也被广泛研究应用。图2-2 电压型三电平 PWM 整流器电路拓补结构2.2 电压型PWM整流器工作原理1. 电压型PWM整流器的两种工作状态电压型PWM整流器的工作状态分整流和逆变两种，均采用PWM调制方式。当正常工作时，PWM整流器将交流电能转换成直流电能，再由PWM逆变器将直流电能转变成交流电能供给交流电动机；在这种情况下，PWM逆变器将工作于整流工作状态。当电动机处于回馈制动状态时，电动机将能量通过逆变器向电容充电，当电容电压上升到一定值时，电能再通过PWM整流器回馈给电源；在这种情况下，PWM整流器工作于逆变工作状态。2. 电压型PWM整流器电压电流矢量关系十九世纪的90年代末期，PARK提出了著名的PARK方程，为交流电机及电力系统暂态过程分析奠定了基础。随后Kron将他的理论系统化，形成了“交流电机统一理论”。按照这一理论，常对电机作如下假设：(1) 忽略空间谐波，假设三相绕组对称，且在空问上互差1200(2) 磁势沿着气隙圆周，按照正弦规律分布(3) 忽略铁心损耗、磁路饱和(4) 忽略温度和频率变化对三相绕组的影响在三相VSR中，不存在空间对称分布的三相绕组，但从纯数学的角度看，依然可以定义数学意义上的空间以及在它上三个互差1200的坐标系概念。这样交流电机统一理论中的空间坐标系概念可以直接移植过来，可以定义出三相VSR系统中相应的电压电流合成矢量和开关函数向量。整流器可以等效为一个三相交流电压源，其单项（以A项为例）基波等效电路如图2-3所示。图2-3 单项等效电路3. 整流器开关工作状态对上述拓扑，用“1”表示某相上桥臂导通，下桥臂关断(上下不能同时导通或关断)；用“0”表示上桥臂关断，下桥臂导通。组合起来，共有8种开关状态(000111)，其中001110为6个非零向量，称为有效开关状态；000、111为2个零向量，此时整流器只有上桥臂或下桥臂的器件导通。一般应按照功率开关切换次数最少原则来选择零向量。三位的数值分别对应a、b、c三相的开关状态。4. 开关表开关表是根据式（2-1）、n及电压电流矢量与功率的关系，确定整流器DPC系统所需要的开关状态，及Su、Sv、Sw的取值。Su、Sv、Sw取决于所需要的；为离散值、，其值由、 、及决定，即 对应于，其分布如图2-6所示。或（2-1）若省略R的影响，可得（2-2）在式（2-2）中，当选择时，i将沿着方向趋向于，则确定。i 在其他位置可同样进行分析，于是得到开关表见表2-1。表2-1整流器DCP系统开关表10101111100000110111010000011111001000111111110000001111110000001111110000000010110010011011001001001101100100110101011110110010010011011001001101101100表2-1中SP和Sq状态依据功率滞环比较器，SP和Sq只有两种状态，1和0，由下式（2-3）确定其状态值。 （2-3）2.3电压型PWM整流器数学模型的建立三相电压型PWM整流器主电路拓补结构如图2-1所示。为建立图2-1所示整流器的数学模型作如下假设：(1)电源为三相对称正弦电压；(2)滤波电感是线性的，且不考虑饱和；(3)开关管为理想开关，无导通关断延时，无损耗；由上述假设得到三相电压型PWM整流器的主电路如图2-4所示。图中uu、uv、uw为三相对称电源相电压；iu、iv、iw为三相线电流；Su、Sv、Sw为整流器的开关函数，Sj定义为单极性二值逻辑开关函数，Sj=1 (上桥臂导通，下桥臂关断)，Sj=0 (下桥臂导通，上桥臂关断)；R、L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧电容；RL为负载。图2-4 三相电压型PWM整流器主电路2.3.1 考虑各种因素时的电压型PWM整流器等效电路考虑各种因素时的电压型PWM整流器主电路等效电路如图2-5所示。电路的不平衡因素主要是电源的不平衡，其他因素是滤波器的电感、电阻及桥路开关等效电阻。在直流侧电容器存在等效串联电阻Req。近似认为桥路开关等效电阻都相等（其值用RS表示），不平衡时整流器主电路等效电路中的电量及参数具有以下形式：（2-4）图2-5 不平衡时电压型PWM整流器主电路等效电路2.3.2 电源不平衡时电压型PWM整流器数学模型影响整流器性能的不平衡因素主要是电源不平衡，忽略参数不平衡，即认为 ， 。在电源不对称的情况下，整流器数学模型为：（2-5）2.3.3 两相旋转坐标系dq下的数学模型在三相静止坐标系（U,V,W）中，U、I分别表示三相电网电动势矢量和电流矢量，并且U、I以电网基波角频率逆时针旋转，如图26所示。根据瞬时无功功率理论，在描述三相电量时，将两相旋转坐标系(d，q)中q轴与电网电动势矢量U同轴。即q轴按矢量U定向，U矢量（q轴）方向的电流分量定义为有功电流，而比矢量U滞后90相角的轴（d轴）方向电流分量,定义为无功电流。初始条件下，令q轴与A轴重合。图2-6 各坐标系间的矢量关系将前面得到的两相静止坐标系向两相旋转坐标系dq变换。当dq轴以电网基波角频率同步旋转时，引入旋转因子，则有 （2-6）式中 ， 代入式（2.15）可以得到三相电压型PWM整流器在两相旋转坐标系dq下的数学模型 （2-7）其中为三相电压型PWM整流器交流侧电压矢量在q轴上分量，为其为d轴上分量。由功率平衡和等功率坐标变换可得 （2-8） （2-9） （2-10）式中交流侧有功功率；直流侧有功功率；整流功率损耗。联立式（2-8）（2-10），得 （2-11）由于、与之间存在非线性关系，不利于控制系统设计，所以令 （2-12）代入式（2-7）得 （2-13）2.4 PWM整流器空间矢量算法PWM整流器控制的关键就是确定六个开关管的开通状态和时间，其状态必须满足在同一时间只有三个开关管处于导通状态，另外三个开关管处于关断状态；同一桥臂上下两个管子处于互补状态，避免上下桥臂直通。空间矢量算法就是根据整流器交流侧所需的ur* 确定开关管的工作状态。定义整流器交流侧所需电压空间矢量 为（2-14）式中， 。若整流器交流侧所需的交流电压为（2-15）则交流侧电压空间矢量 为（2-16）上式表明整流器所需理想交流电压空间矢量为以半径为、按逆时针旋转的电压圆。实际上，是由开关管的开关状态及直流侧电压决定的，即由两个零空间矢量和，六个非零空间矢量、决定的。因此用两个零空间矢量和六个非零空间矢量逼近电压圆，是整流器的输入端输入等效的三相正弦波SVPWM波形。当所要求的 在图2-9逆时针旋转时，当转到某一扇区时，就由该扇区相关的非零空间矢量和零空间矢量合成。因此需要对扇区进行判断及确定开关导通规律。其空间矢量转换顺序见表2-1。表2-1 空间矢量的转换顺序表扇区空间矢量的转换顺序表I000100110111110100000II000110010111010110000III000010011111011010000IV000011001111001011000V111001101111101001000VI000101100111100101000各扇区桥臂开关导通时间分配规律如图2-7所示。图2-7各扇区桥臂开关管导通时间分配规律2.5 电压型PWM整流器直接功率控制从能量的角度看，在交流电压一定的情况下，如果能控制PWM整流器的瞬时功率在允许的范围内，也就间接地控制了瞬时电流在允许的范围内，此种控制策略即为直接功率控制。直接功率控制（DPC）系统结构是以直流侧电压为外环、瞬时功率控制为内环的双闭环系统。从功率守恒的角度看，直接功率控制PWM整流器是在交流侧电压一定的情况下，通过控制流入整流器瞬时有功功率和无功功率，来达到控制瞬时输入电流的目的，从而获得预设的功率因数和功率流动方向。实现了高性能整流，与通常的电流控制策略相比，直接功率控制PWM整流器具有更高的功率因数、响应快、高效率、算法和系统结构简单等优点，日益引起国内外学者的关注。2.5.1功率理论为深入研究电压型PWM整流器直接功率控制策略，必须采用瞬时功率理论测算瞬时有功功率和无功功率；同时，借助于瞬时功率理论，将电压型PWM整流器瞬时数学模型转换为功率模型，为研究新的控制策略奠定基础。传统理论中的有功功率、无功功率都是定义在平均值的基础上，只适用于电压、电流为正弦波的情况；而瞬时功率理论的概念是建立在瞬时值的基础上，对正弦、非正弦电压和电流的情况都适用。2.5.2电压型PWM整流器电压定向直接功率控制电压型PWM整流器电压定向直接功率控制（VO-DPC）采用有交流电压传感器和无交流电压传感器两种方案，通过实时检测计算整流器的瞬时有功功率和无功功率，与给定的有功功率和无功功率相比，发出控制指令控制瞬时功率在允许的范围内，亦控制了瞬时电流在允许的范围内。(1) 系统的组成及其作用电压型PWM整流器DPC系统主要由主电路和控制电路组成。主电路由交流电源、滤波电抗器、整流器、直流电解电容器、负载组成，系统组成如图2-8所示。控制电路为直流电压外环、功率内环结构；由交流电压、电流检测电路及直流电压检测电路，功率估算器，扇区划分器，功率滞环比较器，开关表及PI调节器组成。瞬时有功功率与无功功率根据检测到的电流、 、及、进行计算，得到瞬时有功于无功功率的估算值p、q及三相电压、在静止a坐标系中的、,扇区划分器根据、划分，得到扇区信号。图2-8电压型 PWM 整流器 DPC 系统组成(2) 瞬时功率计算自日本学者赤木泰文提出三相电路瞬时无功功率以来国内外学者开始了瞬时功率的研究，取得了一定的进展。对于三相电路，瞬时相电压矢量u、瞬时相电流矢量i在直角坐标轴a、b、c构成的坐标系中可分解为瞬时相电压矢量 和瞬时相电流矢量。、 分别为电流矢量的有功分量和无功分量。电压矢量和电流矢量的模分别为和 。瞬时有功功率p定义为u与i的标量积，瞬时无功功率q定义为u与i的矢量积，即：（2-9）而在两相同步旋转dq坐标中的瞬时功率的计算，是将三相坐标系的变量，经过或变换后，得到在同步旋转dq坐标系中u和i的形式如下:对于等量变换，瞬时功率p和q的计算式为(2-10)对于三相电源平衡，,式（2-10）可变为 (2-11)(3) 电源电压矢量扇区划分为确定电源电压空间矢量位置的选择，由、确定u的幅角(2-12)根据确定u的位置。为了优化整流器性能，把电压空间分为12个扇区，如图2-9所示，由上式确定。例如（2-13）说明电压空间矢量u在扇区内。图2-9 整流器输入电压空间矢量第三章 硬件平台搭建本章的内容是要搭建三相电压型整流器硬件系统。控制系统是以DSP2407为基础的，检测设备选用LEM公司推出的产品LEM电压传感器,驱动及保护电路的设计是选用三菱智能功率模块IPM。本章的主要内容就是介绍硬件的构造和特点，以及相关参数的设计，三相电压型PWM直接功率控制系统硬件结构如图3-1所示。整个结构图简单明了，易于实现图3-1基于DSP 直接功率控制系统硬件结构图3.1 主电路硬件设计主电路硬件的设计主要有主功率开关器件，交流侧电感选择和直流侧电容的选择。3.1.1 主功率开关器件的选择在大功率电力电子器件的应用中，IGBT 已取代 GTR 或 MOSFET 成为应用的主流。IGBT 的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、开关速度快、热稳定性能好、驱动电路简单。目前，由 IGBT 单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速发展，智能功率模块 IPM(Intelligent Power Module) 不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护和报警功能，以其完善的功能和较高的可性为我们创造了很好的应用条件，简化了电路设计。本文设计的三相电压型 PWM 整流器主功率开关器件采用 IPM 来实现。IPM的基本介绍IPM全称智能功率模块，它是一种先进的混合集成功率器件。三菱智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内设有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。三菱的IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内设电流传感器及驱动电路的集成结构。三菱IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。IPM优点：（1)开关速度快，IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠IGBT芯片，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。（2)低功耗，IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快，故IPM功耗小。快速的过流保护，IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或直接短路时，IGBT将被软关断，同时送出一个故障信号。（3)过热保护在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅极驱动，不响应输入控制信号。（4)桥臂对管互锁，在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。抗干扰能力强。优化的门极驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线。（5)驱动电源欠压保护，当低于驱动控制电源(一般为15v)就会造成驱动能力不够，增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源，当低于一定值超过lOus时，将截止驱动信号。如IPM型号为PS21564为例，其过压保护值最大值400v，直流供电的最大值450v，驱动电压可以达到20v，满足本设计的要求,其性能参数如表3-1所示。表3-1PS21564最值性能参数定义对象 符号 最大额定值 单位 功率器件的结温 Tj -20-125 储存温度 Tstg -40-125 环境温度 Tc -20-100 过压保护值 Vcc(prot) 400 V 绝缘耐压 Viso 2500 V IGBT 变频侧 集电极-发射极电压 Vces 600 V 直流供电 VCC 450 V 直流母线浪涌 Vcc（surge） 500 V 集电极电流（c=25） Ic 15 A 集电极峰值电流（c=25） Icp 30 A 集电极功耗（c=25） Pc 22.2 W 控制侧 控制电压 VD 20 V 驱动电压 VDB 20 V 输入信号 Vin -0.5-VDV0.5 V 故障输出信号电压 VFO -0.5-VDV0.5 V 故障输出信号电流 IFO 1 mA 电流采样输入电压 Vsc -0.5-VDV0.5 V 3.1.2 交流侧电感的选择三相电压型PWM整流器的交流侧电感的取值不仅影响到交流侧电流的动、静态响应，而且还制约着整流器的输出功率及功率因数。PWM 整流器交流侧电感的主要作用如下：（1）使电流受控，呈电流源特性，可将电流控制转化为电压控制，通过交流侧电压或是电流幅值、相位的控制均可实现在高功率因数下能量的双向流动。（2）抑制交流侧 PWM 谐波电流，从而实现交流侧正弦波电流或一定频带范围内的电流控制。（3）使三相电压型 PWM 整流器获得良好的电流波形的同时，还可向电网传输无功功率，甚至实现网侧纯电感、纯电容运行特性。计算公式如下：(3-1)(3-2)根据式（3-1）得(3-3)令(T为开关周期)，则有(3-4)(3-5)同理根据式（3-2）可得(3-6)由于整流器输入电压空间矢量同时对和进行调节，则开关频率平均值取和的几何平均值，即(3-7)由式（3-7）可得（3-8）3.1.3.直流侧电容选择三相电压型 PWM 整流器直流侧电容主要有以下作用：一是缓冲交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定直流侧母线电压。二是抑制直流侧谐波电压。从满足电压环控制的跟随性看，直流侧电容应尽量小，以确保直流侧电压的快速跟踪控制，而从电压控制的抗扰性看，直流侧电容应尽量大，以限制负载扰动时的直流侧电压动态降落。考虑负载电流由额定值突然增到 情况。在此情况下，为满足负载功率的要求，导致有功功率突增，直流电压下降。当 时，可得有功功率最大上升速率和直流电压最大下降速率为(3-9)令为突变开始时刻，则式（3-9）的初始条件为(3-10)根据初始条件式（3-10），由式（3-9）可得最小直流电压及最大直流电压波动(3-11)(3-12)根据给定的和，由式（3-12）可确定出满足给定的最小电容值为(3-13)3.2 控制电路硬件设计由图3-1所示，本文设计的三相电压型 PWM 整流器的直接功率控制电路包括交直流电压检测、驱动及保护、 DSP 控制器三部分。交直流电压检测电路主要完成模拟信号的采集和调理，将其转换成 DSP 控制芯片能够接受的信号送给 DSP 的 A/D 转换模块。驱动及保护电路主要完成将 DSP发出的数字控制信号经光电隔离，送给主功率开关器件 PWM。DSP控制器完成对输入信号的处理，产生控制输出信号，在这里，采用美国德州仪器公司的 TMS320LF2407作为本系统的 DSP 控制器。3.2.1控制模块处理器的选择控制电路是三相VSR的核心，决定了三相电压型PWM整流器系统的主要性能和参数指标。目前，各种微处理器控制技术发展迅速，如何将其(特别是高速数字信号处理器DSP)应用到电力电子技术中来，是研究者非常感兴趣的课题之一。本文设计了一种应用于三相电压型PWM整流器的DSP数字化控制电路。由具有可编程的外接1/0端口、相位捕获单元和片内集成外围设备的高速DSP芯片TMS320F24O7作为控制电路的处理器。DSP全称是数字信号处理器芯片，有多个公司生产的多个系列产品。本文中用到是TI公司的TMS320系列的2407处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有以下的主要特点：(1)在一个指令周期可完成一次乘法和加法。(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。(3)片内具有快速RAM，通常可以通过独立的数据总线同时访问两块芯片。(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。(5)快速的中断处理和硬件IO接口支持。(6)具有单周期内操作的多个硬件地址产生器。(7)可以并行执行多个操作。TMS320LF240X DSP是为了满足控制应用而设计的。通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案。TMS320LF240X DSP成为传统的微控制单元(MCU)和昂贵的多片设计的一种廉价替代产品。30M条指令/s(30MIPS)的处理速度，使TMS320LF240X DSP可以提供远远超过传统的16位微处理器和微控制器的性能。TMS320LF240X DSP具有TMS320系列DSP的基本功能，还有以下特点：(1)采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为33v，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。(2)基于TMS320C2XX DSP的CPU内核，保证了TMS320LF240X DSP代码和TMS320系列代码兼容。(3)片内有高达32K的FLASH程序存储器，高达25K的数据程序RAm，544字双端口RAM，2K的单口RAM。(4)SCISPI引导ROM。(5)两个事件管理器EVA和EVB，每个都包括如下资源：2个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制P删通道，可以实现三相反相器控制、P州的中心或边缘校正及当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道,防止击穿故障的可编程PWM死区控制,对外部事件进行定时捕获的3个捕获单元,片内光电编码器接口电路,16通道的同步ADC。事件管理器模块适用于控制交流异步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机、步进电动机、多机电动机和逆变器。(6)可扩展的外部存储器(LF2407)总共有192K的空间，分别为64K程序存储器空间、64K的数据存储器、64K的IO空间。(7)看门狗(WD)定时器模块。(8)10位ADC，特性为：最小转换时间500NS，8个或16个多路复用的输入通道、可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入AI)E或一个16通道输入ADC。(9)其它配备资源：CAN20模块，即控制区域网模块；串行通信接口SCI模块；16位串行外部设备接口SPI模块；基于锁相环PLL的时钟发生器；高达41个可单独编程或复用的通用输入输出GPIO引脚；5个外部中断，包括：2个驱动保护、1个复位、2个可屏蔽中断。(10)电源管理，具有三种低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗模式。3.2.2 事件管理器模块1.事件管理模块概述在外设库中事件管理模块和双十位模一数转换模块在生成驱动三相整流器的PWM波形中至关重要。事件管理模块为用户提供了一整套用于运动控制和电机控制的功能和特性，这非常适用于电压型整流器的PWM控制实现，如图3-2为时间管理模块结构图。事件管理模事件管理块主要由以下几个部分构成:三个通用定时器；事件管理器模块的三个通用定时器在应用时可以独立使用，作为控制系统中的捕获周期的发生，为正交编码器脉冲电路和捕获单元提供时基，为全比较单元和单比较单元以及相关的PWM电路产生比较/PWM输出。三个全比较单元和三个单比较单元；每个全比较单元有两个相关的比较/PWM输出，每个单比较单元有一个相关的比较/PWM输出。全比较单元的时基由通用定时器1提供，单比较的时基由通用定时器1或2提供。 PWM电路，其中包阔空间矢量的PWM电路，死区发生单元和输出逻辑;与全比较单元相关的PWM输出电路带有可编程死区和输出极性可以控制的6个PWM通道。PWM电路被设计用于减少CPU产生PWM波的开销，并减少用户的工作量。2.空间矢量PWM形成及原理脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制中模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。如9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V, 5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图3-3所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图3-3中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。图3-3 脉冲宽度调制过程通过图3-3b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻tk时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际tk-kTsTs的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。3.最小系统设计（1）电源电路设计高稳定的电源对TMS320LF2407 DSP系统的高性能运行有重要意义。由于最小系统耗电不高，因此设计一个简单的稳压电路即可。其设计电路图如图3-4所示图3-4 TMS329LF2407 DSP电源电路图（2）复位电路设计TMS320LF2407内部带有复位电路，因此可以直接RS复位引脚外面接一个上拉电阻即可，这对于简化外围电路，减少电路板尺寸很有用处，但是为了调试方便经常采用手动复位电路，其电路图如图3-5所示。图3-5复位电路(3)晶体振荡电路 为节约成本，通常使用片内振荡电路，与无源晶体、起振电容一起连接成三点式振荡器来产生稳定时钟。连接起振电容是为了保证正常的起振，对振荡频率的影响极小。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。如图3-6为晶体振荡电路。图3-6晶体振荡电路（4）滤波电路由于DSP芯片内部各元件的影响，需要对电源电路进行较高要求的滤波，通过多个电容并联来获得大容量低内阻和好的高频特性。其滤波电路如图3-7所示。图3-7滤波电路3.2.3信号检测电路LEM电流电压传感器模块是瑞士LEM公司推出的电力电子器件, 它可进行直流、交流、脉动电流(电压)的测量,LEM模块由于具有一系列优点, 因而在电力电子技术的许多领域得到了广泛的应用，并具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。1. LEM模块的工作原理LEM模块是一种有源电子互感器, 它