在現(xiàn)代交流傳動和伺服系統(tǒng)中，廣泛采用電壓型交直交變頻器。這類變頻器輸入端的整流器的性能至關(guān)重要[1]。一方面，整流器需要給逆變器提供高品質(zhì)的直流電壓并具有抗擾性;另一方面，整流器應(yīng)當(dāng)不對電網(wǎng)構(gòu)成諧波污染和無功污染;此外，電機(jī)制動時回饋到直流側(cè)的再生能量應(yīng)能回饋到電網(wǎng)。pwm整流器是實現(xiàn)上述性能的理想選擇[2]。 　　 在眾多pwm整流器的控制策略中，基于電壓定向的矢量控制由于具有電流無靜差、能實現(xiàn)電流有功分量和無功分量的單獨解耦控制等優(yōu)點受到了廣泛關(guān)注。但電壓定向矢量控制由于基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換思想，計算量相對較大，為滿足控制系統(tǒng)的實時性要求，對cpu的運(yùn)算資源提出較高要求[3]。 　　 本文采用全數(shù)字方法給出了基于高性能dsp芯片tms320f2812的pwm整流器電壓定向矢量控制系統(tǒng)設(shè)計方案，以期獲得優(yōu)良的動靜態(tài)控制性能的同時，使系統(tǒng)具有體積小，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。 電壓定向矢量控制原理 　　 三相pwm整流器的主電路如圖1所示，圖1中忽略了電感的附加電阻。 [align=center] 圖1　三相pwm整流器主電路[/align] 在三相靜止坐標(biāo)系下，pwm整流器的數(shù)學(xué)模型為[4] （1） 為了進(jìn)行矢量控制，需要將其變換到dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，變換之后的數(shù)學(xué)模型為 （2） 可見，在dq坐標(biāo)系中，交直軸的變量是互相耦合的，僅靠控制整流器逆變電壓的交直軸分量無法對交直軸電流進(jìn)行單獨的控制。為此，需要在控制回路的中引入前饋解耦控制。當(dāng)電流環(huán)采用pi調(diào)節(jié)并引入前饋解耦控制時，ud，uq控制方程如下: （3） 將式（3）代入式（2），可以得到如下方程 （4） 可見，交直軸電流不再有耦合關(guān)系，交直軸實際電流能夠跟隨自身的給定電流變化。 　　 電壓定向矢量控制是一種基于dq坐標(biāo)變換的控制方式。由于正弦量在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下為直流量，故矢量控制可以將對交流量ua、ub、uc及ia、ib、ic的控制轉(zhuǎn)換為對直流量ud、uq及id、iq的控制。由于采用pi控制器可以實現(xiàn)對直流量的無靜差調(diào)節(jié)，且能夠?qū)τ泄Ψ至亢蜔o功分量進(jìn)行單獨的控制，所以矢量控制可以提高系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。 [align=center] 圖2　pwm整流器的電壓定向矢量控制原理框圖[/align] 本文所采用的pwm整流器矢量控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)按照電網(wǎng)電壓矢量定向，即同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸選擇在電網(wǎng)電壓矢量方向，q軸超前于d軸90°。由圖2可知，系統(tǒng)采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。電壓外環(huán)實現(xiàn)了對直流母線電壓的控制，用以保持直流電壓的穩(wěn)定并具有抗擾性能，同時還可以使輸出電壓可調(diào)。電壓環(huán)輸出作為有功電流給定id＊，為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，無功電流給定iq＊設(shè)置為0。給定電流與實際電流相比較，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器之后作為網(wǎng)側(cè)電壓的參考值。pwm的產(chǎn)生采用利于數(shù)字化的svpwm方式，采用tms320f2812很容易實現(xiàn)。 基于dsp的電壓定向矢量控制系統(tǒng)設(shè)計 　　 由上述分析可知，電壓定向矢量控制策略需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，還包括3個閉環(huán)調(diào)節(jié)器，需要大量的計算，而dsp芯片tms320f2812是具有包括ad轉(zhuǎn)換、pwm輸出等豐富外設(shè)的高速數(shù)字處理芯片，主頻可達(dá)150mhz，可以很好地滿足大計算量，高實時性要求的控制系統(tǒng)[5]，本文以上述電壓矢量控制原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于tms320f2812的pwm整流器矢量控制系統(tǒng)，下面對軟硬件設(shè)計進(jìn)行深入闡述。 [align=center] 圖3　pwm整流器的矢量控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖[/align] 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)由主電路、控制電路以及信號采集電路3個子系統(tǒng)組成。主電路包括濾波電感，功率開關(guān)器件和直流濾波電容，主要完成功率的變換，實現(xiàn)能量的雙向流動;控制電路采用以dsp為核心的數(shù)字化設(shè)計，這大大簡化了硬件電路的設(shè)計，其主要任務(wù)是實現(xiàn)矢量控制算法并保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，從而使網(wǎng)側(cè)電流實現(xiàn)正弦化并與電網(wǎng)電壓同相;信號采集電路子系統(tǒng)包括網(wǎng)側(cè)電壓、電流的檢測以及直流電壓的檢測，將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)化為0-3.3v的和dsp芯片電平兼容的模擬信號。 　　 主電路中的功率開關(guān)器件采用三菱公司的智能功率模塊（ipm）ps21867。這種ipm把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起并優(yōu)化了門極驅(qū)動電路，從而無需設(shè)計復(fù)雜的驅(qū)動電路，dsp輸出信號通過簡單的電平轉(zhuǎn)換電路即可驅(qū)動開關(guān)器件。此外，ipm還集成了控制電源欠壓、過電流和過熱等故障檢測電路。ipm可能工作于三種狀態(tài):正常驅(qū)動、短路保護(hù)和控制電源欠壓保護(hù)。如果ipm中有一種保護(hù)電路動作，相應(yīng)igbt單元的輸入信號將被封鎖并輸出一個故障信號fo。因而即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證ipm自身不受損壞。 　　 控制電路以tms320f2812為核心，主要包括dsp芯片、顯示電路以及模擬信號電平轉(zhuǎn)換電路。tms320f2812是ti公司為電機(jī)控制量身定制的32位定點dsp。該芯片的顯著特點是具有兩個適合電機(jī)控制的事件管理器，每個事件管理器均有2個通用定時器，6路具有死區(qū)功能的pwm輸出，1個svpwm硬件發(fā)生單元。與ti的另一款電機(jī)控制芯片lf2407a相比，其主頻更高，可達(dá)150mhz，因而更能夠滿足實時性要求[5]。 [align=center] 圖4　pwm整流器的控制策略軟件流程圖[/align] 圖4是電壓定向矢量控制軟件程序流程圖，所有算法均在dsp中由軟件完成，主要包括電壓、電流ad轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波算法，電壓定向角的計算，直流電壓的采集及閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換以及相應(yīng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)以及svpwm算法等。 結(jié)語 　　 基于電壓定向矢量控制的pwm整流器具有輸入電流正弦性好，系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行，能量自由雙向傳遞，動靜態(tài)控制性能優(yōu)良等優(yōu)點，本文介紹了基于dsp芯片tms320f2812的pwm整流器矢量控制系統(tǒng)，給出了具體的軟硬件設(shè)計方法?；赿sp的系統(tǒng)設(shè)計方案能夠極大的減少設(shè)計工作量，并具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點。