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[摘要]本文概述了三相PWM整流器工作原理，分析了基于开关函数的三相PWM整流器的数学模型，采用电压电流双闭环控制策略，给出了基于TMS320LF2407芯片的三相PWM整流器的教学实验装置的控制系统设计，详细的说明了实验装置硬件电路各部分的设计，并给出了软件设计方案。
[关键词]三相PWM整流器 DSP 控制系统 教学实验装置
引言
随着绿色能源的开发和应用，采用PWM技术的变流装置在分布式发电系统、理想电网接口等获得广泛的应用。与传统整流器相比，这种变流装置的主电路采用可关断的全控器件，可以实现电能的双向传输。这种变流装置虽然被称为PWM整流器，但是它不仅具有受控的AC/DC整流功能，而且还具有DC/AC的逆变功能。通过控制手段在其交流侧可实现可控的功率因数(四相限运行)和正弦化电流波形，为电力电子装置在装置级解决电能质量问题提供了良好的途径。采用PWM技术的电压源型变流器具有独特的网侧受控电流源特性，使得它能以作为核心部件广泛地应用于各类新能源发电系统中。在高校电力电子实验教学中自主开发基于DSP的三相PWM整流器的教学实验装置，使学生能够更好的掌握电力电子技术在新能源中的应用。
一、三相PWM整流器基本工作原理
PWM变流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。其模型电路如图3－1所示，忽略功率开关管桥路损耗，由交、直流两侧功率平衡可得：
iν=idcνdc （1）
式中：ν－模型电路交流侧电压；
i－模型电路交流侧电流；
νdc－模型电路直流侧电压；
idc－模型电路直流侧电流。
由上式可知通过控制模型电路的交流侧，就可以控制其直流侧；反过来通过控制直流侧也可以控制交流侧。
忽略谐波分量和交流侧电阻，可得PWM变流器交流侧稳态矢量关系如图2所示，在图2a中，当电压矢量v运动到B点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且同向，此时PWM变流器网侧呈现正电阻特性，变流器运行在整流状态，并且是单位功率因数运行，负载从网侧吸收有功功率。在图2b中，当电压矢量V运动到D点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且反向，此时PWM变流器网侧呈现负电阻特性，变流器运行在逆变状态，也是在单位功率因数下运行，电网从负载吸收有功功率。显然通过控制交流电压矢量V即可实现PWM变流器的四象限运行。当变速恒频双馈风力发电系统的网侧变流器运行在这两个典型状态时，功率因数控制为1，减少了谐波对电网的污染。基于以上PWM变流器的特点，是它在变速恒频双馈风力发电系统中得到广泛的应用。
二、教学实验装置的控制系统设计
本文设计的三相电压源型PWM并网变流器主电路采用三相桥式电压型拓扑，其拓扑结构如图1所示。图中电压源Vdc代表并网变流器直流侧电压，它可能由太阳能电池或风力发电机通过整流获得。当三相电压源型并网变流器处在发电模式运行时，通过SPWM技术控制交流侧电流与电网电动势反相，利用自身交流侧受控电流源特性将太阳能电池或风机馈送的直流电能以交流电方式馈送到电网中去。由此可见，并网变流器的性能主要取决于交流侧输出电流的控制。
如果三相电网对称且稳定，主电路开关元器件为理想开关元件，根据基尔霍夫电压电流定律和三相电压源型PWM并网变流器工作原理，可得到系统基于开关函数的数学模型。其数学模型由联立方程(1)确定。
(2)
上述模型中采用了开关函数Sk，它表示某一桥臂在某一时刻的状态，其定义如下：
其中，k=a,b,c。
联立方程(2)表示的模型中L代表交流侧电感参数，R为电感中的寄生电阻，由于电感等效阻抗远大于电阻阻值，在系统设计过程中R对调节器设计影响可以忽略。
具体算法为首先把电压外环指令信号与被检测到的直流母线电压的比较误差信号送入到电压外环调节器中，其输出再与网侧交流电压同步信号相乘，生成电流内环调节器的指令信号，电流内环调节器的输出与电网电动势前馈相加后，其结果送入到PWM比较器中，作为IGBT开关驱动电路的控制信号。电压外环保证直流母线电压恒定，电流内环则保证系统的快速响应能力。并网变流装置的核心控制器硬件结构如图4所示，是整个变速恒频双馈风力发电模拟系统的核心部件，包括交流电压电流的采样；直流电压的采样；电压电流同步信号的捕获；PWM驱动信号的输出；IO输入输出；CAN接口通讯和RS485接口通讯，实现能量的双向流动，与上位机采用RS485串口通讯。
三、教学实验装置硬件设计
（一）DSP核心控制器
TMS320LF2407A是美国德州仪器公司推出的一款专为电机控制应用设计的DSP。它有如下特点：
(1)采用高性能的静态CMOS技术，供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；
(2)30MIPS的执行速度使得指令周期达到33ns（30MHz），从而提高了控制器的实时控制能力；
(3)片内有高达32k字节的FLASH程序存储器，1.5 k字节的数据/程序RAM，544字节的双口RAM(DARAM)和2k字节的单口RAM(SARAM)；
(4)两个事件管理器EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制（PWM）通道、三个捕获单元、片内光电编码器接口电路、16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于包括步进电动机和伺服电动机在内的多种电动机控制；
(5)看门狗定时器模块（WDT）监控系统软件及硬件工作，在CPU工作混乱或死机时产生系统复位；
(6)高达40个可单独编程或复用的I/O引脚（GPIO）；
(7)基于锁相环的时钟发生器；
(8)5个外部中断（两个电动机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）；
(9)电源管理包括3种低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗工作模式。
由于TMS320LF2407A的工作電压为3.3V，所以在最小系统的设计中采用了电源管理芯片TPS7333，把开关电源电路的5V电压转换成3.3V，此芯片还兼有复位的功能，对于实际的DSP应用系统，特别是变流器这样的系统，存在着强电对DSP系统的干扰，所以系统的可靠性是一个不容忽视的问题，而且DSP系统的时钟频率较高，在运行时也极有可能发生干扰和被干扰的现象，所以系统必须有一个可靠的复位电路，如图5所示。
（二）交流电流采样电路的设计
交流电流采样电路如图6所示，是以运放LM324为主的比例放大调理电路。它把由霍尔电流传感器得到的信号电压，经过放大调理电路后变成DSP可接受的模拟输入电压信号。而电路的比例系数可根据实际情况通过调节电位器RP1的大小来得到，二极管4148起到反向保护作用。该电路主要完成对电网侧交流电流的检测。
（三）直流电压采样电路的设计
直流侧电容两端的直流电压通过分压电路降低电压，经过TLP521光耦隔离电路和LM358组成的比例运放调理电路后输入到DSP的A/D转换通道，如图7所示。
[关键词]三相PWM整流器 DSP 控制系统 教学实验装置
引言
随着绿色能源的开发和应用，采用PWM技术的变流装置在分布式发电系统、理想电网接口等获得广泛的应用。与传统整流器相比，这种变流装置的主电路采用可关断的全控器件，可以实现电能的双向传输。这种变流装置虽然被称为PWM整流器，但是它不仅具有受控的AC/DC整流功能，而且还具有DC/AC的逆变功能。通过控制手段在其交流侧可实现可控的功率因数(四相限运行)和正弦化电流波形，为电力电子装置在装置级解决电能质量问题提供了良好的途径。采用PWM技术的电压源型变流器具有独特的网侧受控电流源特性，使得它能以作为核心部件广泛地应用于各类新能源发电系统中。在高校电力电子实验教学中自主开发基于DSP的三相PWM整流器的教学实验装置，使学生能够更好的掌握电力电子技术在新能源中的应用。
一、三相PWM整流器基本工作原理
PWM变流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。其模型电路如图3－1所示，忽略功率开关管桥路损耗，由交、直流两侧功率平衡可得：
iν=idcνdc （1）
式中：ν－模型电路交流侧电压；
i－模型电路交流侧电流；
νdc－模型电路直流侧电压；
idc－模型电路直流侧电流。
由上式可知通过控制模型电路的交流侧，就可以控制其直流侧；反过来通过控制直流侧也可以控制交流侧。
忽略谐波分量和交流侧电阻，可得PWM变流器交流侧稳态矢量关系如图2所示，在图2a中，当电压矢量v运动到B点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且同向，此时PWM变流器网侧呈现正电阻特性，变流器运行在整流状态，并且是单位功率因数运行，负载从网侧吸收有功功率。在图2b中，当电压矢量V运动到D点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且反向，此时PWM变流器网侧呈现负电阻特性，变流器运行在逆变状态，也是在单位功率因数下运行，电网从负载吸收有功功率。显然通过控制交流电压矢量V即可实现PWM变流器的四象限运行。当变速恒频双馈风力发电系统的网侧变流器运行在这两个典型状态时，功率因数控制为1，减少了谐波对电网的污染。基于以上PWM变流器的特点，是它在变速恒频双馈风力发电系统中得到广泛的应用。
二、教学实验装置的控制系统设计
本文设计的三相电压源型PWM并网变流器主电路采用三相桥式电压型拓扑，其拓扑结构如图1所示。图中电压源Vdc代表并网变流器直流侧电压，它可能由太阳能电池或风力发电机通过整流获得。当三相电压源型并网变流器处在发电模式运行时，通过SPWM技术控制交流侧电流与电网电动势反相，利用自身交流侧受控电流源特性将太阳能电池或风机馈送的直流电能以交流电方式馈送到电网中去。由此可见，并网变流器的性能主要取决于交流侧输出电流的控制。
如果三相电网对称且稳定，主电路开关元器件为理想开关元件，根据基尔霍夫电压电流定律和三相电压源型PWM并网变流器工作原理，可得到系统基于开关函数的数学模型。其数学模型由联立方程(1)确定。
(2)
上述模型中采用了开关函数Sk，它表示某一桥臂在某一时刻的状态，其定义如下：
其中，k=a,b,c。
联立方程(2)表示的模型中L代表交流侧电感参数，R为电感中的寄生电阻，由于电感等效阻抗远大于电阻阻值，在系统设计过程中R对调节器设计影响可以忽略。
具体算法为首先把电压外环指令信号与被检测到的直流母线电压的比较误差信号送入到电压外环调节器中，其输出再与网侧交流电压同步信号相乘，生成电流内环调节器的指令信号，电流内环调节器的输出与电网电动势前馈相加后，其结果送入到PWM比较器中，作为IGBT开关驱动电路的控制信号。电压外环保证直流母线电压恒定，电流内环则保证系统的快速响应能力。并网变流装置的核心控制器硬件结构如图4所示，是整个变速恒频双馈风力发电模拟系统的核心部件，包括交流电压电流的采样；直流电压的采样；电压电流同步信号的捕获；PWM驱动信号的输出；IO输入输出；CAN接口通讯和RS485接口通讯，实现能量的双向流动，与上位机采用RS485串口通讯。
三、教学实验装置硬件设计
（一）DSP核心控制器
TMS320LF2407A是美国德州仪器公司推出的一款专为电机控制应用设计的DSP。它有如下特点：
(1)采用高性能的静态CMOS技术，供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；
(2)30MIPS的执行速度使得指令周期达到33ns（30MHz），从而提高了控制器的实时控制能力；
(3)片内有高达32k字节的FLASH程序存储器，1.5 k字节的数据/程序RAM，544字节的双口RAM(DARAM)和2k字节的单口RAM(SARAM)；
(4)两个事件管理器EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制（PWM）通道、三个捕获单元、片内光电编码器接口电路、16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于包括步进电动机和伺服电动机在内的多种电动机控制；
(5)看门狗定时器模块（WDT）监控系统软件及硬件工作，在CPU工作混乱或死机时产生系统复位；
(6)高达40个可单独编程或复用的I/O引脚（GPIO）；
(7)基于锁相环的时钟发生器；
(8)5个外部中断（两个电动机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）；
(9)电源管理包括3种低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗工作模式。
由于TMS320LF2407A的工作電压为3.3V，所以在最小系统的设计中采用了电源管理芯片TPS7333，把开关电源电路的5V电压转换成3.3V，此芯片还兼有复位的功能，对于实际的DSP应用系统，特别是变流器这样的系统，存在着强电对DSP系统的干扰，所以系统的可靠性是一个不容忽视的问题，而且DSP系统的时钟频率较高，在运行时也极有可能发生干扰和被干扰的现象，所以系统必须有一个可靠的复位电路，如图5所示。
（二）交流电流采样电路的设计
交流电流采样电路如图6所示，是以运放LM324为主的比例放大调理电路。它把由霍尔电流传感器得到的信号电压，经过放大调理电路后变成DSP可接受的模拟输入电压信号。而电路的比例系数可根据实际情况通过调节电位器RP1的大小来得到，二极管4148起到反向保护作用。该电路主要完成对电网侧交流电流的检测。
（三）直流电压采样电路的设计
直流侧电容两端的直流电压通过分压电路降低电压，经过TLP521光耦隔离电路和LM358组成的比例运放调理电路后输入到DSP的A/D转换通道，如图7所示。