1 引言
三相pwm整流器由于它能控制直流電壓和網側功率因數而被廣泛應用于四象限運行變頻器的前端。電壓電流雙閉環控制算法的前題是獲得網側電壓的相位,而相位的捕獲大都是采用過零比較器，然后用dsp的capture來捕獲脈沖的硬件方法實現鎖相。雖然這種方法在工程上容易實現，但是當網側三相電網電壓不平衡或者電壓含有諧波時,就不能準確的捕獲基波正序的過零點,從而影響鎖相的精度。
本文在結合pwm整流器空間矢量解耦控制算法的基礎上，將軟件鎖相環技術應用在pwm整流器控制算法中，并給出了此算法的工程設計方法。用matlab 中的simulik搭建了系統的仿真模型，并在仿真和實驗中驗證此算法的可行性。
2 軟件瑣相環原理及設計
2.1 硬件鎖相電路
圖1示出用dsp外圍的硬件鎖相電路原理圖。采用過零比較方式，即電網電壓在過零時刻觸發dsp的捕獲中斷，同時dsp的計數器開始讀取這次脈寬長度，在捕獲中斷中讀取上一次捕獲寄存器的值。這種方案雖然硬件和軟件原理比較簡單，易于工程實現，但是由于電網電壓在50hz附近波動以及電網含有諧波或三相不平衡等問題，就很難保證相位的同步和精度了。尤其在整流處于能量回饋狀態，如果相位不能與電網同步，將給電網帶來諧波污染。
圖1 硬件鎖相電路
2.2 瞬時無功理論鎖相原理[1]
瞬時理論鎖相的基本原理是將三相輸入電壓ua、ub、uc轉換到靜止的aβ坐標系，然后從靜止aβ的坐標系轉換到與電壓同步的旋轉dq坐標系得到交流電壓的直流分量ud、uq。其中變換所用的旋轉角θ，是軟件鎖相環的輸出。如果鎖相角與電網電壓相位同步，則電壓輸出直流分量uq等于0。將0與鎖相變換后得到的uq相減后得到誤差變化信號，將其經過pi調節器后可視為誤差信號ω，ω經過一積分環節后的輸出即為電網電壓的相位θ。整個過程構成一個反饋，通過pi來達到鎖相的目的。
若電網電壓不平衡時候，電網電動勢可描述為正序電動勢、負序電動勢、零序電動勢三者的合成。三相不平衡電壓經過靜態動態坐標變換后，只有正序分量轉換為直流分量，負序、零序經過dq轉換后都是高頻分量，經過高頻濾波后軟件鎖相的輸出就不受負序、零序的影響，這樣就能保證軟件鎖相跟蹤的是基波正序分量。算法中的濾波是通過積分環節來實現，仿真試驗可以看出分析的正確性。圖2示出在0.17s時瞬時功率電壓鎖相跟蹤波形。
圖2 瞬時功率電壓鎖相跟蹤波形
從仿真結果圖中可以看出，電壓跟蹤波形迅速跟蹤輸入的電壓相位。
3 pwm整流器原理
3.1 pwm整流器數學模型
圖3示出三相pwm整流器的拓撲結構。設三相電網電壓平衡，網側電壓ua、ub、uc，交流側輸入濾波電感l，直流側電容c，直流側負載電阻r，功率開關按采用的調制方式動作。
圖3 三相pwm整流器的主電路結構
由電路拓撲結構和工作原理得出在三相靜止坐標系下的方程式(1)。采用空間坐標變換，將式(1)變換到兩相靜止坐標系uα，uβ，進一步將uα，uβ靜止坐標轉化到動態坐標系ud，uq，
(1)
轉換方程式(2)，
(2)
轉換后的方程式(3)，
(3)
在三相電壓平衡的情況下，電壓通過dq坐標變換后為直流量，即
ud=um
uq=0 (4)
將上式(4)帶入式(3)，即得到電網同步dq坐標系下的數學方程式(5)。
(5)
從上式看出兩項電流從在耦合，為了消除兩項之間的耦合，采用pi解耦控制[2][3]。
3.2 改進的工程實現策略
結合軟件鎖相的原理和整流器的控制思想，克服傳統直接用比較器與dsp捕獲單元相結合的硬件方案的不足，提出軟件鎖相雙閉環空間矢量pwm整流器電流解耦控制方案，圖4示出軟件控制框圖。在工程中用ti 2406dsp作為主控芯片，利用定時器1下溢中斷實現控制算法。實現方法，系統啟動置初次上電標志。在下溢中斷中判斷是否初次運行，如果是初次運行則進行軟件鎖相pi自動調整程序，運行幾秒軟件鎖相調整完后，關閉初次上電標志，定時器下溢切入主算法計算狀態，圖5示出定時器下溢中斷流程圖。采用這種控制方案結構簡單，易于工程實現。
圖 4 軟件控制框圖
圖5 定時器下溢中斷流程圖
4 仿真及實驗結果
4.1 仿真結果
本文用matlab軟件對軟件鎖相雙閉環空間矢量pwm整流器進行了仿真，仿真參數為交流側輸入電壓50v，系統功率1kw，直流母線電壓給定150v，負載50ω，交流側濾波電感5mh。圖6a示出電壓給定150v時直流側電壓udc的輸出，可以看出電壓紋波很小。圖6b示出單位功率因數運行狀態下交流側電壓usa和電流isa相位波形。圖7a示出整流狀態突變到逆變狀態直流電壓輸出電壓udc迅速達到給定電壓。圖7b示出整流狀態突變到逆變狀態下交流側電壓usa和電流isa的波形，可以看出二者相位正好相同和相反，即達到單位功率因數運行。由此可見在軟件鎖相算法的可行性。
(a)udc的波形 (b)usa和isa的波形
圖 6 整流狀態輸出波形
(a)udc的波形 (b)usa和isa的波形
圖 7 整流到逆變狀態輸出波形
從仿真的結果可以看出，在采用軟件鎖相環后系統處于整流狀態或者逆變狀態都可以達到功率因數運行，并輸出電壓很穩定。
4.2 實驗結果
在仿真的基礎上采用ti dsp2406搭建了實驗平臺，對軟件鎖相pwm整流器算法進行實驗驗證。樣機功率1.1kw，交流側電抗5mh，交流側輸入電壓50v，整流輸出電壓200v，負載電阻50ω。圖8a示出直流側電壓udc的輸出，圖8b示出交流側電壓usa和電流isa相位波形。由圖8可見，實驗結果和仿真結果一致，再次證明理論分析的正確性。
(a)udc的波形 (b)usa和isa的波形
圖 8 實驗波形
5 結束語
本文把軟件鎖相環原理應用到三相pwm整流器控制中，代替了傳統的硬件鎖相，實現了對電網電壓的無差跟蹤，并在動態坐標系中構成了軟件瑣相控制系統，還簡化了硬件控制系統設計。另外該電流空間矢量算法可以對無功有功獨立控制。樣機實驗論證了理論分析的正確性，在工程上具有一定的參考價值。
：鞏經理
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