（电力电子与电力传动专业论文）基于电压空间矢量调制的单位功率因数三相整流器的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t i ni n d u s t r i a lf i e l d ，p e o p l eh a sr e a l i z e dt h a tt h er e c e t i f y i n g s y s t e mw i t hl o w e rp o w e rf a c t o rc a nb r i n gh a r m o n i cp o l l u t i o nt op o w e r n e t s oi m p r o v e dt h ep o w e rf a c t o rh a sb e e nt h et e n d e n c y o ft h e r e c e t i f y i n gs y s t e m a n dt h eu n i t yf a c t i o rr e c t i f i e ri s b e c o m i n gt h e f o c u sa 1 1o v e rt h ew o r l d t h ep u l s e - w i d t hm o d u l a t e d ( p w m ) i st h ek e yt e c h n o l o g y t oa c q u i r e t h eh i g hp o w e rf a c t o r t h ed o c u m e n tp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo f t h r e e p h a s ep 删t h e na n a l y z e sa n dc o m p a r e s t h es e v e r a lm a t u r e l y c o n t r o lm e t h o d sf o rp i b i i n1 9 8 0 s ，t h ef o r e i g ns c h o l a r sh a v ep r e s e n t s o n ep v mc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nv o l t a g es p a c e v e c t o r ( s v p ? n i ) w h i c h h a st h eh i g h e r e f f i c i e n c yt h a n t h a tt h es p w m i ti se a s i l yd i g i t a l r e a l i z a t i o na n df u l f i lh i g h e rp o w e rf a c t o r y t ot e s t i f yt h ec o r r e c t n e s s ，t h ec o n t r o ls c h e m ei ss i m u l a t e du s i n g t h ed y n a m i cs i m u l a t e dt o o ls i m u l i n ko fm a t l a b5 3s o f t w a r ea n dt h r o u g h t h eh a r d w a r ep l a t eb u i i tu pw i t ht h et m s 3 2 0 f 2 4 0d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) t ot e s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a nf i n dt h e c o n c u l a t i o nt h a ts v p w mi sr e l i a b l ya b l et of u l f i lt h et h r e e p h a s e r e c t i f i e rw i t hh i g h e rp o w e rf a c t o r k e y w o r d s ：p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，v o l t a g es p a c e v e c t o r m _ 姐l a bs i m u li n k 堕塑奎塑查兰塑主堕窒皇兰堡堡窒 笙! 夏 第一章绪论 随着大容量发电设备及用电设备的增加，无功功率和电力系统谐波所引 起的对电网及用电设备的危害日趋严重。随着大功率高频电力电子器件的发 展，国内外学者对整流器的高功率因数和数字化实现的研究日趋重视，这也 是消除电网污染，提供绿色电源的要求。本文主要对高功率因数p w m 整流器 进行了研究和分析，说明当p w m 整流器运行在单位功率因数状态时，既不产 生谐波也不消耗无功功率，因此也不对电网产生影响。 1 1 谐波及其危害 大多数用电设备是由交流电网供电的，可以看作是电压源的负载，由于 实际中，负载不会是理想的线性负载，电流波形会畸变、产生谐波分量。随 着工业的发展，交流电网中的非线性负载数量和容量的不断增加，电力系统 的波形畸变问题越来越严重。 电力系统的波形畸变及由此产生的谐波不仅大大降低了系统的功率因 数，而且给系统本身和周围的电磁环境带来了一系列的危害。现在已把这类 问题同现代工业带来的环境污染相类比，称为“谐波污染” 谐波对电力系统和其它用电设备的影响是非常严重的，其主要危害有以下几 个方面： 恶化供电系统的供电质量。加在电源母线上的谐波电流会导致电源电压畸 变，恶化分布供电系统的供电质量。 通过电力回路和通信回路之间的耦合，对通信线路产生相当大的干扰，影 响信号的传输质量，严重是会导致通信系统无法正常运行。 谐波电流及其产生的谐波电压导致一些重要的控制、保护和测量装置误动 作。 谐波还可能导致系统失误。谐波会诱发系统的电气震荡及机械震荡，振荡 可能导致系统中的部件因过流而损坏。外，谐波电流或电压造成了系统过载， 导致器件损坏和系统失误，甚至系统破坏。 谐波和电流电压基波之间的相位差的存在使系统功率因数变差，显著的降 低了发电、输电和用电中的效率。 电力电子装置( 如变流器和开关变换器) 已成为最主要的谐波污染源， 因此减少直至消除谐波的危害是一个重要的研究方向。传统整流器已经不符 合这些新的规定，而需要一种高功率因数低谐波的整流器。而获得高功率因 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 厦 数，抑制谐波的方法主要有两种：一种采用补偿装置，补偿其谐波和无功功 率：二是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐拨，且不消耗无功功 率或根据需要对其功率因数进行控制。两者比较，采用该进电力电子装置的方 法改善功率因数和实现谐波抑制更为有效，也就是开发输入电流为正弦、谐 波含量低且功率因数接近为1 的新型三相整流器。因此高功率因数三相整流 器的研究得到了广泛的关注。 高功率因数整流起器的基本工作原理是：通过控制整流桥臂上各功率器 件的导通与关断，使电路的输入电流近似为正弦，并且使其与输入电压同相 位，当整流器的功率因数近似为1 时，可称为单位功率因数整流器( u n i t y p o w e rf a c t o rr e c t i f i e r ) ，它具有以下功能： 在恒定负载下，稳态运行时，保持功率因数近似为1 ； 能将输出直流电压稳定在一个设定的直流电压值附近，且保持其小纹 波特性； 负载变化时，具有较快的动态响应速度。 1 2p w m 整流器研究现状 p w m 整流器从8 0 年代提出以来得到了飞速发展，并迅速成为电力电子技 术的一个热点，着不仅与对谐波和无功功率的防治需求越来越强有关，还同 电力电子器件和各种控制技术的发展有着密不可分的关系。 电力电子技术是以电力为对象的电子技术，这是一门利用电力电子器件 对电能进行转换与控制的学科。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路 和控制电路三大部分。电力电予器件是电力电子技术发展的物质基础。 自1 9 4 7 年第一只晶体管研制成功之后，半导体固态电子学这一新兴的学科变 应运而生。到1 9 5 6 年晶闸管问世标志着电力电子技术的开端。从7 0 年代后 期开始，可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r 或b j t ) 及其模块相继实用 化，在中、大容量的变流装置中，传统的s c r 逐渐被这些新型器件取代。8 0 年代以来，微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合，产生了 一批工作频率高，具有门极全控性能的功率集成器件，从而使电力电子技术 由传统电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。目前电力电子技术的 发展趋势可以用以下几个特点来概述：降低开关损耗、减小导通压降、提高 开关频率、增大电压电流容量、提高器件的智能化和提高器件的驱动性能等 几个方面。 根据器件的物理结构可将电力电子器件分为：双极型电力半导体器件、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 m o s 结构型电力半导体器件和功率集成电路。 ( 1 ) 双极型电力半导体器件 双极型电力办导体器件包括：半控型器件，如晶闸管、逆导晶闸管等； 全控型器件，如可关断晶匝管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、静电感应晶闸管 ( s i t h ) 等。7 0 年代n t d 单硅晶体的试制成功，使这些器件的电压、电流、 频率等额定值达到了很高水平。经2 0 多年发展大容量的g t o 已推向实用化阶 段，最大容量可达到6 k a 6 k v ，工作频率一般在i k h z 以下。与此同时，g t r 由于具有高频特性好、通态压降低、控制方便等优点，发展也非常迅速，g t r 的但管容量已经达到8 0 0 a i 8 k v ，开关频率在2 k h z 以下：容量为6 0 0 a 1 4 k v 的管子可以工作到5 k h z 。但是上述两种器件需要较大的控制电流和由分离器 件组成的复杂门极控制电路，导致其发展和使用受到很大的影响。s i t h 是在 七十年代提出、八十年代才发展起来的一种新型器件，它利用电场效应来控 制器件导电性能，既有较大的电压和电流容量又有较高的开关频率，因此， 近年来在国外得到了速发展。 ( 2 ) m o s 结构型电力半导体器件 以上所讨论的双极型全控器件，工作时必须有较大的控制电流，其功率较 大的门极控制电路使系统的体积和重量增大并使系统效率降低，这就促使了 新一代具有高输入阻抗的m o s 结构型的电力半导体器件的研制。这种类型的 器件包括m o s f e t 、i g b t 和m c t 等 近年来，功率m o s f e t 发展很快，它是一种电压驱动器件，驱动电路只需 要在器件开通时提供容性充电电流，而关断时提供放电电流即可，因此驱动 很简单，此外m o s f e t 的一个重要特性是它的通态特性是阻性的。但是它的通 态压降随着额定电压的增加而增加。 i g b t 是八十年代初问世的一种新型复合型电力半导体器件，它兼有 m o s f e t 高输入阻抗、高速特性和g t r 大电流密度、低导通压降的特性，近十 年来发展特快，已经过三代的更新，目前进入第四代。现在i g b t 单管的容量 已达到6 0 0 a i 8 k v ，三相模块的容量为1 2 k a 3 5 k v 。 ( 3 ) 智能功率模块 进入九十年代，i g b t 开始向智能型模块( i p m ) 和智能型功率集成电路 ( s p i c ) 发展。i p m 是将i g b t 芯片、驱动电路、保护电路、箝位电路等封装 在一个模块内：s p i c 是把逻辑单元、传感单元、测量单元及保护单元等与功 率单元集成一体，使它具备了相当某种复杂电路的功能。因此，这类智能型 功率模块和功率型集成电路的出现，预示着电力电子技术的新发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 1 3p w m 整流器的产生和发展 1 3 1p w m 整流器的产生 八十年代初，随着对电力电子装置产生的谐波对电网产生的影响的认识 不断加深，一些学者开始研究如何提高功率因数。b e l l i n i 和f i g a l li 首先 用g t o 实现了真正意义上的单相p 删整流器，如图( 1 ) 所示，其功率因数接 近l 。到了8 0 年代后期，由于g t r 的普遍应用以及i g b t 的大量使用促使p 硼 整流器向高频化发展，高频化可以大大提高交流输入电流波形的正旋度，减 少直流输出电压纹波，提高功率因数，使系统稳定。 图( 1 ) 利用g t o 实现的单相p w m 电路 根据输出特性，可将p w m 整流器分为电流型和电压型两种；根据输入电 源的不同可分为单相和三相。图a 和图b 所示 ( a ) 单相全控桥 。 图( a ) 电压型p w m 整流器 ( b ) 三相全控桥 r n 亘塑窒望奎兰塑主堡窒皇兰垡迨皇 篁! 翌 - _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ i _ _ _ - _ _ 一一 o l 2 fzf t w 海 a o 2f z丸 p n ( a ) 单相全控桥 ( b ) 三相全控桥 图( b ) 电流型p w m 整流器 从主电路结构来看，电流型的比电压型的简单。电压型主电路中每主管 都要一个反并联的续流二极管，他不仅为感性负载提供续流通路，而且在逆 变( 再生) 运行时，作为电流反向流通的路径。而在电流型主电路中，不需 要这些反并联二极管，在逆变( 再生) 时，中间回路的电流方向保持不变， 而只需改变电压的方向。 从p 1 v i 控制的脉冲频率来讲，电压型的主电路中主管换流时，为了防止 桥臂贯穿，在桥臂上下两个主管换流时应保证先断后通，因而需设置一死区 时间。而电流型主电路为防止具有大电感电路的断开，处在两桥臂的主管换 流时要确保先通后断，即不需设置死区时间，否则大电感电路突然开断时将 会产生击穿主管的过电压，所以开关频率相同的晶闸管用在电流型中比用在 电压型中脉宽调制的脉冲频率要高。 1 3 2p w m 整流器的发展趋势 随着电力电子技术、控制技术、微处理技术的不断发展，同时也促使p 咖 整流器不断向前发展，可以归纳为以下几个趋势 多功能化和智能化 传统电力电子器件只有开关功能，而现代电力电子器件的品种增多、功 能扩大、使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的还具有放大、调制、震荡 以及逻辑运算等功能。 高频化 提高整流器的开关频率可以显著降低交流输入电流的谐波畸变率，由此 降低对电网的谐波影响；同时，提高开关频率还可以减小装置中无源元件的 体积和容量，可以提高系统的整体性和可靠性。 p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 电路弱电化，数字化 全控型器件及其高频化的功能促进了电力电子电路的弱电化。随着微型 计算机等微电子技术的发展，特别是i ) s p 和8 0 c 1 9 6 等在电力电子系统中的应 用e l 趋增多，使得电力电子系统开始从传统的模拟控制方式向数模混合方式 及全数字式控制方向发展。数字化可以使控制系统软件化，并能实现复杂的 控制方法，因此具有柔性控制的特点。但是数字化系统的运算速度、稳定性、 抗干扰性值得考虑。 降低开关损耗 随着开关频率的高频化发展，系统的开关损耗随之增加。开关损耗的增 加导致系统效率降低和系统可靠性下降，为了克服影响，还必须不断寻找新 的控制方法和技术来降低开关损耗。 本文对采用电压空间矢量调制的整流器进行了研究全文安排如下 第一章首先对p w , l 整流器的发展与现状进行了简要介绍。 第二章对p w m 整流器的工作原理进行详细介绍、分析，并对几种控制方式进 行了比较。 第三章将交流电机理论中的空间坐标系旋转理论引入到p w m 整流器系统的 分析中来，并以此为基础建立了三相整流器的统一数学模型。并利用m a t a l a b 软件中的s i m u l i n k 仿真环境建立了基于s v p w m 控制的三相整流器仿真模型， 并对其仿真结果进行进行了分析。 第四章详细介绍了详细介绍了三相整流器输入和输出侧的参数设计。 第五章数字控制系统的硬件实现及其软件实现。 最后对全文内容进行了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章三相脉宽调制( p w m ) 整流器 在电力电子变换器和逆变器中广泛采用了脉宽调制技术，由于p w m 技术 可以及其有效地进行谐波抑制，而且它的动态响应好在频率、效率诸方面有 着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显提高。 所谓p 删就是在所需要的的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系 列交流输出电压波形，以达到控制频率、电压、电流抑制谐波的目的。此外， 采用p w m 技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形而且提高了逆变 器对交流电网的功率因数。高功率因数p w m 整流器作为解决电力电子装置的 谐波污染和降低无功功率损耗的一种方法，近几年得到了广泛关注。 2 1 单相p w m 整流器的工作原理 图( 2 1 ) 是单相整流器的原理图，其中t l ，t 4 具有相同的驱动信号， t 2 ，t 3 具有相同的驱动信号，同时这两组信号互补。 u 图2 1 单相p w m 整流器 下面对其工作原理进行主要阐述： 整流运行 v d 在u 0 和f 0 ，由正、d 3 和五、d 1 分别组成了两个b o o s t 电路。 当互导通时，电流流经d 3 ，电感l 储能，电容c 向负载释放能量；当五导 通时，电流流经d l ，电感l 储能，电容c 向负载释放能量。当正和五同时关 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 断时，电感l 和电源通过二极管d 。、d 3 向电容c 和负载提供能量。而在u 0 和i 0 ，u o ，则b = 1 ，否则b = 0 ； 如果一( 括v 。+ ) o ，则c = 1 ，否贝r j c = o ； 则扇区n = a + 2 b + 4 c ：在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下的模块实现的判断”一所处的扇区模型框图如 图( 3 5 2 ) 所示 图( 3 5 2 ) 判断7 彬所处的扇区模型 。 堕壹窒塑盔堂堡主堡室竺兰篁笙窒 蔓! ! 要 2 计算x 、y 、z 和t i 、t 2 不同扇区的两个相邻有效矢量的作用时间可以归纳为三个值的计算，因 此定义： x = 4 3 v p t i p d ( j y = ( 粤v ，+ 了3y 。) r ，v 肿 z = ( 丁4 5 诈一j 3 矿。) r 7 v 。 对于不同的扇区t 1 ，t 2 按表i 取值。t l ，t 2 赋值后，还要对其进行饱和判 断。若t i + t 2 t ，则取t i = t i * t ( t i + t 2 ) ，t 2 = t 1 * t ( t i + t 2 ) 。 用s i m u l i n k 中的模块实现的t 1 、t 2 赋值模型框图 表1t 1 、t 2 赋值表 扇区号 l23456 t 1zyz- xxy t 2y- xxz- yz 如图( 3 5 3 ) 所示 图( 3 5 3 ) 计算x 、y 、z 和t 1 、t 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 夏 3 计算电压空间矢量切换点d ，e ，f 定义：， t a = ( t t 1 一t 2 ) 4 t b = t a + t 1 2 t c = t b + t 2 2 则在不同的扇区内a ，b ，c 根据表2 进行赋值 表2 切换点赋值时刻 扇区 123456 号 dt bt at at ct ct b et a t ct b t b t at c f t ct bt ct at bt a 同样使用s i m u l i n k 中的模块构造了切换点的模型框图，如图( 3 5 4 ) 所示 图( 3 5 4 ) 电压空间矢量切换点d ，e ，f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 4 s v p w f i 波的产生模型 图( 3 5 5 ) s v p 帆i 波的产生模型 5 坐标变换两相变三相的模型 图( 3 5 6 ) 坐标变换两相变三相的模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 6 旋转变换的模型 7 反旋转变换的模型 图( 3 ，5 7 ) 旋转变换的模型 图( 3 5 。8 ) 反旋转变换的模型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页一 3 5 3 基于s v p w m 控制的三相整流器的仿真模型 图( 3 5 9 ) 基于s v p w m 控制的三相整流器的模型框图 图( 3 5 9 ) 是基于s v p w m 控制的三相整流器的模型框图，其工作 原理就是：用坐标变换将三相静止坐标系变为两相旋转坐标系来进行解耦。 以速度调节为外环，电流调节为内环，通过控制电流来调节速度。而三相p w m 整流器是通过控制电流来调节电压。因而，可以采用电机矢量控制的思想， 电压环为外环，电流环为内环。对三相电流，t 采样，并采d ，q 旋转坐标 系来解耦，获得屯，i 。，同时电压误差信号经p i 调节为电流屯+ ，设定f 。+ 给 定为0 ，+ 和的误差信号和+ 和的误差信号经p i 调节，再经2 3 反旋转变换，得到控制三相逆变器的控制信号，因而使功率因数为1 。 根据图( 3 5 9 ) ，对整个系统在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下进行仿真。图 ( 3 5 1 0 ) 为系统主回路仿真模型，系统主回路使用数学模型搭建的三相整流 桥 亘壹窒望查兰堡主堡窒竺兰堡笙窒 蔓! ! 里 图( 3 5 1 0 ) 基于s v p l 】| m 控制的三相整流器仿真模型 在仿真中将三相整流器的仿真模型封装成s u b s y s t e m 的模块，同时将判 断矢量矿，所处的扇区的模型，计算x 、y 、z 和t 1 、t 2 的模型，计算电 ， 压空间矢量切换点d ，e ，f 的模型和s v p w m 波的产生模型和在一起封装成p 1 v m l 的模块，并和三相变两相的模型3 2 ，旋转变换的模型v r ，p i 模型，反旋转 变换的模型s u b s y s t e m 2 一起构成了控制系统的仿真模型。 仿真参数设置为：三相输入相电压峰值u 。为3 1 1 v ，角频率 = 1 0 0 a r a d j ：给定电压值为6 2 0 伏，控制开关频率为2 k h z ；进线电感为 4 7 m h ；输出端电容c = 4 7 0 0 u f 。软件仿真算法采用o d e 2 3 t b 。采样时间为 t s = l e 一5 在仿真过程中发现p i 参数对系统的响应和稳定有非常大的影响，并 发现对电压误差信号进行p i d 调节时，p i d 的限伏对给输出端电容的充电 起着非常重要的作用。当限伏太小时，发现支撑电容上的电压有很大的波动。 通过示波器观看输入侧电压和输入侧电流的仿真波形，输出端电压跟踪的波 形。图( 3 5 1 1 ) 为整流状态时的波形，从图中我们可以看到其功率因数接 近1 从图( 3 5 1 2 ) 可以看出输出端电压在很短的时间内很好的跟踪上了输 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 出端电压的变化，达到了预定值电压。图( 3 5 1 3 ) 为整流器逆变状态时的 波形，功率因数为l ，表明本控制系统在仿真环境下能实现能量的双向流动， 功率因数为1 戈 n 厂、 u i o ， 扎 篱令影镣 麟 l 矽- 0 鬯 v i 。 7 图( 3 5 1 1 ) 整流状态时的仿真波形时间t s w |。 | | 图( 3 5 1 2 ) 输出电压波形时间t 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 8 u i f 黻 9 8 a 蒯 缴 删粼斡 旷v +r 扩_ | ：j嶙 ，mm jlr 7 ：| _ j 图( 3 5 ，1 3 ) 逆变状态时仿真波形时问t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第四章三相p w m 整流器的参数设计 三相p w m 整流器的主电路的参数设计包括连接电感的设计、直流输出电 容的设计、直流输出电压的调节设计。在系统设计时将i g b t 的开关频率选定 为2 k 。下面在此频率基础上 分别就这些参数的设计进行研究。 4 1 交流侧电感的设计 在p 1 i l m 整流器中，连接电感的主要作用在于，限制器件的高频开关所产 生的高次谐波电流的大小。连接电感值太小，会导致电源电流中的高次谐波 含量增加，增大电流的总谐波畸变率，从而增加高通滤波器的容量：而连接 电感过大，则会降低电源电流跟踪指令信号的速度，也会影响电源电流的谐 波畸变率。 交流侧电感的大小对电源电流影响较大，忽略交流回路电阻可得到整流 器的工作方程为： l a ! ，。= u a 一是。u o 其中 吒= & 一妄( 配+ 足+ 最) ( m = a ，b ，c ) 将式写成增量式( 以a 相为列) 7 a i 。= ( c ，。一k a u o ) 其中t 为控制周期 无论l 过大或过小，都直接影响电源电流跟踪参考信号的性能，同时还 影响到中高频成分的大小，电流在跟踪参考信号的过程中，每个定时比较周 期内电流波动的幅值都小于电流波动的最大峰峰值，考虑到最坏的工作情 况是在相电压峰值附近，有 a 扣型攀鲥 可得到交流侧电感下限的推导公式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 三警 其中，l a m a x - - - - 电源电流的基波的峰值 u 。一a 相相电压的有效值 a i o 。一一2 0 i , ，。 当l 取值过大时，会降低电流的跟踪速度。在电流过零点附近，电流变 化率最大。此时，电流的跟踪速度应大于电流变换率的最大值，由此得到以 下条件； 垒量：生! 些墅! 竺1 2 6 u j o ， ( 4 2 3 ) 当整流器运行在线性区域时，整流器输入端的p l n , t 波在一个开关周期内的平 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 7 页 均直与p i 调节器的输出成正比；但当系统进入非线性区域后，p w m 波在一个 周期内的平均值最大只能达到0 ，即整流器输入端的相电压幅值受到的 限幅。p w m 整流器是一个高度耦合且含有非线性环节的控制系统。当高 于( 4 2 3 ) 所要求的最低电压时，限幅环节不起作用；当u 。低于该值时，非 线性环节会对电源电流的控制产生影响，随着【，o 的减小，不仅电源电流的 波性发生畸变，同时将不在与电源电流保持同相位，越小，电源电流的 相位滞后越大。 4 3 直流侧输出电容的选取 直流侧输出电容具有如下功能 ( 1 ) 滤除由于器件高频开关动作造成的直流电压的纹波 ( 2 ) 当负载发生变化时，在整流器的惯性延时期间内，将直流电压的 波动维持在限定的范围内 当三相电压经过整流器变为直流，直流侧输出电容可以起滤波作用，同 时作为中间储能元件，输出电容必不可少，其原因有以下几点： ( 1 ) 与整流器、逆变器交换无功功率和谐波功率。这些都是由于采用脉宽调制 方法带来的弊端： ( 2 ) 异步电动机交换无功功率。 ( 3 ) 支撑中间回路电压，使其保持稳定。如果支撑电容器太小，逆变器的控制 变得困难。因为如果控制稍为有一点的误差，中间回路的电压就会出现很大 的波动。 由于中间回路与两端变流器之间存在着复杂的能量交换过程，目前还没 有简单实用的方法来选择合适的支撑电容的大小。在综合考虑了异步电机功 率和中间直流电压大小的前提下，选取支撑电容为4 7 0 0 u f ，考虑到电解电容 的耐压等级和电容大小的要求，采用4 个4 5 0 v ，4 7 0 0 u f 的电容组成如下网络， 其中分压电阻功率选取3 0 k 2 0 w 。分压电阻在于平均电容上电压大小，进行箝 位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 如下图所示 4 7 4 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 9 页 第五章数字控制系统的硬件设计和软件实现 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是以数字信号来处理大量信息的器 件，是一种特别适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器。作为一种具 有高速数据处理能力的新型单片机，采用了多组总线技术实现并行运行机制， 大大提高了运算速度，其特有的反向进位寻址方式。d s p 的高速和高效的浮 点数据处理能力以及它的哈佛流水线结构为利用d s p 设计高性能的控制器提 供了条件。目前d s p 芯片已经被广泛应用在通信、自动控制、航天航空、军 事、医疗等领域。 5 1d s p 的主要结构特点 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 是应用高性能的静态c m o s 技术生产的，具有下列主要 结构特点 采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线( 三条内部地址总 线：p a b 、d r a b 、d w a b ；三条内部数据总线：p r d b 、d r d b 、d w d b ) 对程序和 数据独立编址，独立访问，可同时访问指令和数据空间，允许数据在程序存 储器和数据存储器之间进行传输。 流水线处理在处理器内，对每条指令的操作可分为取指、译码、执行等 几个阶段，每一个阶段称为一级流水。流水处理是指在某一时刻同时对若干 条指令进行不同阶段的处理，也就是说处理器在一个时钟周期可并行处理 2 6 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。 高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可完成多重操作，一般能完成一 次乘法和一次加法。片内含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器和累加器， 能够在每秒钟内处理数以千万次乃至数亿次的定点或浮点运算，其处理速度 比以往最快的p c 微处理器还快数十倍；为满足数字信号处理f f t 、卷积等运 算的特殊要求，多数d s p s 的指令系统中设置有循环寻址及位倒序指令和其它 特殊指令，使得在作这些运算时寻址、排序及计算速度都有大幅度提高。 丰富的片内存储硬件和灵活的寻址方式为数据处理应用提供了良好条件，在 其内部集成了r a m 、r o m 、f l a s h 及双口r a m 等存储空间，并通过不同的片内 总线访问这些空间，因此不存在总线竞争和速度匹配的问题，大大提高了数 据读写访问的速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 0 页 5 1 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片介绍 t m s 3 2 0 f 2 4 0 被称为d s p 控制器，是t i 公司专门针对电机、逆变器、机 器人、数控机床等控制而设计的。它具有d s p 内核，从而将d s p 的高速运算能 力与面向电机的高效控制能力集于一体。它以1 6 位定点d s pc p u 为内核，配 置了完善的外围设备，包括事件管理模块( e v ) 、a d 转换模块( a d c ) 、串行 通信接口模块( s c i ) ，串行外设接口模块( s p i ) 、中断管理系统和系统监视 模块，其中事件管理模块( e v ) 含有通用定时器、比较器、p w m 发生器、捕 获器。它使用了改进的哈佛结构，将存储器和数据存储器的总线分开，以便 最大限度地提高处理能力。 t m s 3 2 0 f 2 4 体系结构见图( 5 - 1 ) ，它具有下述功能部件：2 0 m i p s 的c p u ， 片内r a m 、r o m f l a s h ，专用于电机控制的“事件管理器( e v e n t m a n a g e r ) ”和 片内外设，多达1 6 个通道的a d 转换模块，专用的p 1 】| m 发生单元，可以以全 比较或单比较输出。自带的空间电压矢量p w m 发生器。 t m s 3 2 0 f 2 4 体系结构( 5 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第三堕 5 1 2 c p u 结构 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司d s p 器件- - t m s 3 2 0 c 2 x x 系列中面向控制的特殊片种， 它具有相同的1 6 位定点d s p 内核和指令集，该指令集源码向下兼容 t m s 3 2 0 c 2 x 系列、向上兼容t m s 3 2 0 c 5 x 系列，具有良好的可移植性。 主要包括以下的一些功能模块： 1 一个3 2 b i t 的中央算术逻辑单元( c a l u ) 2 一个3 2 b i t 的累加器( a c c ) c a l u 的输入和输出数据定标移位器； 一个i o x1 6 b i t 的乘法器； 一个乘积定标移位器 一个辅助运算单元( a r a u ) 和8 个辅助寄存器( a r o r 7 ) 。 1 中央算术逻辑单元( c a l u ) 和累加器( a c c ) 它支持3 2 b i t 的运算，c a l u 使用从数据存储器或指令中直接取得的1 6 b i t 字长的数，或者从乘法器取得3 2 b i t 的乘积。 累加器存储c a l u 的运算结果，它也可以向c a l u 提供第二个输入。a c c 的宽 度为3 2 b i t 。分为高1 6 b i t 和低1 6 b i t 。 2 定标移位器 具有3 个3 2 b i t 的移位器，可以作移位、b i t 提取、扩展算术运算和溢出防 止运算。 输入数据定标移位器，该移位器将输入的0 到1 6 b i t 的数据左移1 6 b i t ，作 为c a l u 的3 2 b i t 输入的数据。 输出数据定标移位器，该移位器将累加器里的结果输出到数据存储器之前左 移0 1 7 b i t 。 乘积定标移位器，乘积寄存器( p r e g ) 接受乘法器的输出。而乘积移位器在 乘积寄存其的数据输出到c a l u 之前对其进行移位乘积移位器具有4 种移位模 式( 不移位、左移i b i t 、左移4 b i t 、右移6 b i t ) 。这些模式对于乘加运算、 小数运算、以及有理小数乘积等运算都是很有用的。 3 乘法器 片内乘法器作为1 6 x1 6 b i t 二进制乘法，得到3 2 b i t 的结果。在与乘法器 连接时，使用一个1 6 b i t 的暂时寄存器( t r e g ) 和3 2 b i t 的乘积寄存器( p r e g ) 。 t r e g 总是保存乘数中的一个，而p r e g 则接受每次乘积的结果。 4 存储器安排 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的存储器分为4 个独立可选择的空间：6 4 k 字的程序空间、6 4 k 的本地数据空间i 、3 2 k 字的全局数据空间和6 4 k 字的i o 空间。这些空间构 成了2 2 4 k 字的地址范围。 6 4 k 字程序存储器空间，包含要执行的指令及程序执行时使用的数据。 6 4 k 局部数据存储器空间，保存指令使用的数据。 3 2 k 字全局数据存储器空间，保存与其它处理器共用的数据，或者作为一个 附加的数据空间。局部数据空间中的高3 2 k 字地址( 8 0 0 0 h 。f f f f h ) 可用作全 局数据空间。局部数据存储器与全局数据存储器可以是两个不同的物理存储 器，通过修改全局存储器分配寄存器( g r e g ) 的内容来控制当前使用何种数 据存储器。 6 4 k 字的i 0 空间，用于外设接口，包括一些片内外设的寄存器。 事件管理器( e v e n tm a n a g e rm o d u l e ，简称e v ) 事件管理器含有3 个通用定 时器、3 个具有死区功能的全比较器、3 个简单比较单元、p w m 发生器( 1 2 个比较p 删输出引脚) 、4 个捕获单元、2 个正交编码器脉冲电路及中断逻辑 等。e v 的以上功能部件使得它特别适合用于运动控制和电机控制。下面分别 介绍事件管理器的些重要器件的结构和功能。 通用定时器t m s 3 2 0 f 2 4 0 共有3 个加1 减1 的1 6 位通用定时计数器。定 时器2 、3 还可合用作3 2 位定时计数器。它们可用于产生采样周期，为捕获 单元和正交编码单元提供时基，也可作为比较单元产生c m p p 删输出以及软 件定时的时基。时钟源既可以是内部c p u 时钟，也可以是外部时钟。当定时器 2 、3 或2 和3 作为正交编码脉冲单元的时基使用时，其时钟和计数方向由正 交编码脉冲单元提供。每一定时器各有6 种计数模式：停止保持、单向加、 连续加、定向加减、单向加减、连续j j l 减。每一定时器各带一个比较逻辑 单元，当计数器值和比较寄存器值相等时，比较匹配发生，从而在定时器的 p w m 输出引脚t x p 删t x c m p 上产生c m p p w m 脉冲。可设置控制寄存器g p t c o n 中的相应位，选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内a d 转换器。 比较单元与c m p p 1 v m 脉冲输出，t m s 3 2 0 f 2 4 0 有3 个全( f u l l ) 比较单元和3 个单( s i m p l e ) 比较单元，每个单元各带有比较输出控制逻辑。其中，每个全比 较单元以定时器1 为时綦，可输出2 路带可编程死区控制的c m p p 1 】| m 脉冲：每 个单比较单元以定时器1 或2 为时基，输出1 路c m p p w m 脉冲。通过设置定时 器1 为不同方式，可选择全比较单元输出非对称p w m 波形、对称p w m 波形或空 间矢量p w m 波形。在交流电机控制中，与非对称p 1 】| m 波形相比，对称p w m 波形 可获得更小谐波失真的相电流：而空间矢量p w m 信号则为三相电机的六个功 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 3 页 率晶体管提供独特的开关机制，使得相电流的谐波失真最小，提高效率。全比 较单元输出的6 路p 删电压波形可作为交流感应电机或直流无刷电机三相功 率放大器的输入信号，还可用于控制开关磁阻和同步磁阻电机，以及传统的直 流电机和步进电机等：单比较单元的3 路p w m 脉冲和上述定时器比较单元输出 的3 路p 慨脉冲可用于功率因数校正、谐波抑制等。 捕获单元事件管理模块e v 共有4 个捕获单元，每个单元可以捕获其相关 输入引脚的跳变沿单元1 和2 、3 和4 可分别选择计数器2 、3 作为时基，且每 个单元各有个两级的f i f o 缓冲堆栈。当检测到捕获输入引脚c a p x 上出现 指定的跳变时，就将定时器2 或3 的计数值捕获并存在相应的两级f i f o 中。 捕获发生时，中断标志被置位，并向c p u 发中断请求：若捕获单元4 中断标志 已被置位，还将启动片内a d 转换器。相应的捕获单元被用于高速i o 的自 动管理，它监视输入引脚上信号的变化，记录输入事件发生时的计数器值，即 记录下所发生事件的时刻。该部件的工作由内部定时器同步，不用c p u 干预。 正交编码脉冲( q e p ) 单元鉴相倍频常用的位置反馈检测元件为光电编 码器，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出一般有 a 、b 和同步脉冲信号c ，a 、b 两路相位差为9 0 度，被用于判别方向和计量位 移。a 、b 两路脉冲可直接作为t m s 3 2 0 f 2 4 0 的c a p l q e p l 和c a p 2 q e p 2 引脚 的输入。q e p 单元可选择通用定时器2 、3 作为1 6 位计数器，或将2 、3 合并 为3 2 位计数器使用。定时器2 、3 应被设为定向计数方式，同时以q e p 单元的 时钟作为定时器的输入。q e p 单元中的方向检测逻辑首先判断两脉冲前沿到 达的先后，进而决定计数器的计数方向，实现鉴相：计数器在两路脉冲的上升 沿和下降沿均触发计数，从而达到4 倍频。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 片内a d 转换器t m s 3 2 0 f 2 4 0 片内的a d 转换模块由两个1 0 位串行a d 转换器组成，可用于并行处理模拟量。每个a d 都有8 个模拟输 入通道和一个8 转l 多路转换器，并设置了内部采样保持电路s h ，能够进 行单独的或连续的采样保持和转换操作。当每次a d 转换结束时都会将中断 标志置位，如果该中断未被屏蔽，就会产生中断申请。每个a d 转换的最大 时间为6 6s 。由于两套a o 是相互独立的，因此模块可同时采样两个模拟 输入信号。模拟量可包括：反馈的速度、位置、温度传感、电压传感和电流传 感信号等。 s p i 串口和s c i 串口t m s 3 2 0 f 2 4 0 片内外设还包括一个异步串行通讯口 ( s c i ) 和一个同步串行外设接口( s p i ) 。s c i 口即通用异步收发器( u a r t ) ，用于 与p c 机串口等标准器件通信，可采用r s - 2 3 2 4 8 5 协议等，最大波特率 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 6 2 5 k b p s 。s p i 口可