基于dsp的直接功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1等效直流電動機(jī)在異步電機(jī)控制中直接旋轉(zhuǎn)控制（tc）方法中，采用空間向量概念，直接計(jì)算和控制異步電機(jī)的磁鏈和旋轉(zhuǎn)，以獲得該旋轉(zhuǎn)的高動態(tài)性能。它無需將交流電動機(jī)轉(zhuǎn)化成等效直流電動機(jī),省去了矢量變換中許多復(fù)雜的計(jì)算。類似于DTC的控制方法,在三相電壓型PWM整流器中,也可直接對功率進(jìn)行觀測,與給定值比較后選擇適當(dāng)?shù)目臻g電壓矢量,實(shí)現(xiàn)對功率的直接控制(DPC)。那么可以預(yù)見,三相PWM整流器的DPC也應(yīng)具有異步電機(jī)DTC所具有的響應(yīng)速度快,控制結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。2瞬時(shí)功率測定為深入研究電壓型PWM整流器DPC策略,必須采用瞬時(shí)功率理論測算瞬時(shí)有功功率和無功功率。同時(shí),借助于瞬時(shí)功率理論,將電壓型PWM整流器瞬時(shí)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為功率模型,為研究新的控制策略奠定基礎(chǔ)。2.1瞬時(shí)功率理論傳統(tǒng)的功率定義為瞬時(shí)功率在一個周期(T=2π/ω)內(nèi)的平均值,也稱為有功功率。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下,設(shè),則有功功率可表示為:對于單相正弦或三相對稱正弦量電路,傳統(tǒng)的功率定義完全適用,但當(dāng)電路的電壓或電流發(fā)生畸變,或三相不平衡使電路處于暫態(tài)過程(非周期過程)時(shí),傳統(tǒng)的功率定義無法對其做出正確的描述,必須采用瞬時(shí)功率理論進(jìn)行功率計(jì)算。2.2瞬時(shí)功率理論針對傳統(tǒng)功率定義只適用于電壓、電流均為正弦波的情況,提出以定義瞬時(shí)無功功率q、有功功率p等瞬時(shí)量為基礎(chǔ)的三相電路瞬時(shí)功率理論。瞬時(shí)相電壓、相電流在三相直角a,b,c坐標(biāo)系下各軸分量為:u|=(u2a+u2b+u2c)1/2,|i|=(i2a+i2b+i2c)1/2,見圖1。定義瞬時(shí)有功功率p為u,i的標(biāo)量積,瞬時(shí)無功功率q為u,i的矢量積,則有:q方向垂直于u,i所在平面。在α,β坐標(biāo)系下,p和q用矩陣表示為:3開關(guān)表電壓矢量選擇根據(jù)瞬時(shí)功率理論,可將PWM整流器交流側(cè)電流分為有功電流ip和無功電流iq,其向量值ip沿u的切線方向,iq沿u的法線方向。因此,對于一定的交流輸入電壓,控制ip,iq就能實(shí)現(xiàn)對p,q的控制。直接功率控制框圖如圖2所示。VO-DPC系統(tǒng)控制電路為直流電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制,將有功和無功功率限制在一定寬度功率帶內(nèi),瞬時(shí)功率檢測信號與功率給定值送入定環(huán)寬的滯環(huán)比較單元,輸出相應(yīng)比較狀態(tài)值Sp,Sq,與扇區(qū)選擇信號θn一起送入開關(guān)表,進(jìn)而確定DPC系統(tǒng)所需的開關(guān)狀態(tài),即Sa,Sb,Sc的取值。Sp,Sq按下列規(guī)則確定:功率滯環(huán)比較器的環(huán)寬Hp,Hq決定了功率控制精度,也決定了整流器的開關(guān)頻率。開關(guān)表根據(jù)式(1),(2)及θn確定DPC系統(tǒng)所需的開關(guān)狀態(tài)。為了優(yōu)化整流器輸入電壓矢量,將輸入空間分為12個扇區(qū),如圖3所示,θn(θn=arctanuβ/uα)由(n-2)π/6≤θn≤(n-1)π/6確定。VO-DPC系統(tǒng)開關(guān)表見表1。Sa,Sb,Sc的值取決于所需的ur;ur為離散值U0,U1…U7,由Sa,Sb,Sc及Udc決定,即SaSbSc=000~111對應(yīng)于U0~U7,其分布如圖4所示。對于三相無中線VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),交流側(cè)應(yīng)用KVL,可得:若忽略VSR交流側(cè)電阻,可得電壓矢量方程為:Ldi/dt=u-ur,進(jìn)一步可得電壓電流矢量方程:下面以電源電壓矢量U處于1扇區(qū)為例,來說明開關(guān)表電壓矢量選擇原理。如圖4所示,U處于1扇區(qū),I滯后于U,給定電流Ir與U同相位,并且I<Ir。此時(shí),可知p<pref,q>0,即q>qref,由Sp,Sq判定規(guī)則可知此時(shí)Sp=1,Sq=0。為使I逼近Ir,由式(7)可知,需選擇U5,使I沿著U-U5的方向逼近Ir,即選擇SaSbSc=U5(001)。同理,按上述規(guī)則可以分析得到開關(guān)表中其他矢量的選擇規(guī)則。4直接功率管理系統(tǒng)的證明4.1系統(tǒng)的仿真分析為驗(yàn)證上述理論分析,在Matlab/Simulink下搭建了與小功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相對應(yīng)的仿真模型,對VO-DPC系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,部分仿真參數(shù)如下:交流側(cè)電感L=10mH,交流側(cè)電阻R=1Ω,直流側(cè)電容C=4400μH,直流側(cè)電阻RL=50Ω,給定直流電壓Udcref=150V。動態(tài)仿真是在0.2s時(shí)突增負(fù)載,由圖5a可見,電流波形具有較快的動態(tài)響應(yīng)。由圖5b,c可見,直接功率控制具有很好的動態(tài)響應(yīng),調(diào)節(jié)時(shí)間tr≈1ms。4.2基于pef的動態(tài)響應(yīng)為驗(yàn)證上述DPC策略,在小功率平臺上搭建了實(shí)驗(yàn)電路,硬件控制電路是以TMS320LF2407A為核心的控制板。圖6a示出PWM整流器交流側(cè)a相電壓電流實(shí)驗(yàn)波形。由于調(diào)壓器次級電壓諧波含量較大,因此圖中電壓為調(diào)壓器初級電壓波形,在實(shí)際控制中qref=0,以保證單位功率因數(shù)運(yùn)行。由圖可知,交流電流諧波含量較少,波形接近正弦,電壓電流同相,滿足單位功率因數(shù)的要求。為驗(yàn)證DPC的動態(tài)跟隨性能,實(shí)驗(yàn)中通過提升pref=0進(jìn)行了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。圖6b為交流側(cè)a相電壓、電流動態(tài)響應(yīng)波形?？芍?當(dāng)給定發(fā)生變化后,即有功功率給定增大,無功功率保持不變,交流電流能快速跟蹤有功變化。圖6c為pref=0發(fā)生階躍變化時(shí),瞬時(shí)有功功率的動態(tài)跟隨波形。圖中所示有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間tr≈1ms,表明DPC具有較好的動態(tài)跟隨特性。5數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析重點(diǎn)研究了針對三相電壓型PWM整流器控制方法,即基于電壓定向的直接功率控制。針對傳統(tǒng)功率定義的局限性,分析了瞬時(shí)功率控制理論,通過在Matlab/Simu