高 娜 张丽娜
（西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014）
【摘 要】为满足未来电网对三相AC/DC变换装置的性能需求，在两相静止坐标（αβ）坐标系下对三相电压型PWM整流器的控制系统进行设计。采用基于预测电流控制的控制策略，根据输入输出之间的功率平衡关系，提出一种基于αβ变换的前馈控制策略，使前馈信号同时包含了电网电压和负载的信息，通过快速调节交流侧电流，维持了系统功率平衡，从而解决了三相电压型PWM整流器受负载扰动和电网波动影响较大的问题。试验结果验证了设计方案的正确性。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 PWM整流器；前馈控制；预测电流控制；PI调节器
0 引言
随着全球能源危机的不断加深，我国电动车辆产业将步入快速发展期，这也极大地推动了充电站和充电桩的建设，大量电动车辆的充电行为势必将会给电网带来较大冲击。为保证电网及其它用电设备的用电安全，首先要限制网侧输入电流谐波含量。
传统采用基于两相同步旋转坐标（dq）变换的三相PWM整流器控制系统存在结构复杂、控制参数难整定、坐标变换运算量大的缺点，本文采用基于αβ变换的前馈控制策略，通过前馈控制消除扰动对系统的影响，在简化控制系统的同时，提高了三相电压型PWM整流器对电网电压跌落及负载变化的抗干扰能力。
1 三相电压型PWM整流器的数学模型
三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构如图1所示。
2.2 基于?琢?茁变换的控制系统参数整定
前馈控制增强了系统稳态时对负载扰动和电网电压波动的抗干扰能力，但是在启动过程中仍需电压PI调节器来建立直流侧电压[3]，在启动过程中，直流侧电压较小，电压PI调节器输入偏差比较大，其输出占指令电流值的绝大部分；当系统进入稳态，PI调节器输出几乎为零，前馈信号分量作为指令电流值，系统对负载扰动和电网电压波动具有很好的抗干扰能力。
采用前馈控制策略的三相电压型PWM整流器的控制框图如图2所示：
考虑到电压环采样时间存在延时，将其等效为一个惯性环节[4－5]，其小惯性时间常数为电压值采样时间Ｔs；预测电流环节也等效为惯性环节，其小惯性时间常数为电流值采样时间Ｔs；设电压环PI调节器的数学模型为Ｋp+KI /s。由此得到三相电压型PWM整流器电压外环控制结构如图3所示。
为简化控制结构，将电压采样小惯性时间常数Ｔs同预测电流环节等效小时间常数Ｔs合并，且不考虑负载电流iL扰动，经简化后的电压环控制结构为图4所示。
3 三相PWM AC/DC变换系统的软硬件设计
3.1 系统硬件结构的设计
系统硬件结构的设计主要包括功率变换主电路的设计和控制电路的设计。功率变换主电路的设计包括前置级三相电压型PWM整流器以及后级移相全桥DC/DC变换器主电路中相关元器件的选取；控制电路包括以TI公司TMS320LF2407A DSP为核心的控制电路，交直流电压电流信号的采集调理电路、开关管的驱动电路以及相关的保护电路。
3.1.1 功率变换主电路的设计
整流器需要采用6个IGBT开关管进行控制，如果采用单独的IGBT开关管管再加上续流二极管，势必会使得整流器的体积变得很大，即加大了设计的复杂性又增加成本。而采用IPM智能功率模块就可以很方便地节约成本和减少体积。本文采用富士公司型号为6MBP25RA120的IPM智能模块，该模块的电气性能为额定电流25A，耐压值为1200V，最大开关频率为20KHz，满足本文对于前置级三相电压型PWM整流器的设计要求。
3.1.2 控制电路设计
（1）控制电路的数据处理器
TMS320LF2407A [7]是TI公司推出的高性能16位数字处理器，是24X家族中的新成员，是定点DSP C2000平台系列中的一员，专门为电机控制与运动控制数字化实现而设计，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它集C2XX内核增强型TMS320设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体，内部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，几乎每条指令可在33ns完成。
（2）驱动电路的设计
IPM智能模块6MBP25RA120的驱动采用东芝公司的高速、高共模比的光耦TLP559。该光耦具有极短的寄生延时；瞬时共模；IPM专用电气隔离；TTL兼容等特点，适用于IPM的驱动。
3.2 系统软件的设计
本文通过设置事件管理器EVA的通用定时器Timer1周期为１×10-4s，工作在连续增/减计数模式，当计数值到达0时，产生下溢中断，从而完成三相电压型PWM整流器控制程序。
中断子程序主要完成四路交流信号和两路直流信号采样、电压PI调节计算、预测电流控制等。为防止出现数据丢失，中断子程序后要恢复现场。
3.3 试验验证
在软硬件设计的基础上搭建了样机，输入为220/380V，额定输出为270V直流电，额定功率5Kw。并进行了相关实验，实验波形如图所示：
图5为系统输入交流电压电流波形，从图中可以看出交流侧电路波形无畸变，且和电压波形同相位，实现了交流侧高功率因数。在系统进入稳定工作状态后，负载由额定值降低至其1/3，输出电压波形如图6所示，从图中可以看出电压波形抖动很小，系统取得了良好的抗干扰效果。
4 结论
本文在αβ坐标系中进行三相电压型PWM整流器控制系统的设计，降低了设计的难度；并为了降低负载突变和电网电压跌落对系统的影响，提出一种基于αβ变换的前馈控制策略。仿真结果表明，该方案大大增强了系统的抗干扰能力。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［１］王宝臣，石健将，杨永飞，等.基于d-q变换的400Hz三相四线高功率因数整流器[J].电力电子技术，2010，44（7）:84-86.
［２］郎永强，徐殿国，马洪飞，等.三相电压型PWM整流器的一种改进控制策略[J].电机与控制学报，2006，2006，10（2）:160-163.
［３］欧阳红林，陈继华，黄守道，等.三相电压型PWM整流器的改进控制策略的研究[J].湖南大学学报，2005，32（3）:93-96.
［４］瞿博，吕征宇，三相电压型PWM整流器小信号建模及其控制器设计计[J].电工技术学报，2010，25（5）:103-108.
［５］张爱玲，牛维.三相电压型PWM整流器设计方法的研究[J].太原理工大学学报，2008，39（3）:311-314.
［６］陈伯时，运动控制系统[M].北京:清华大学出版社，2006.
［７］P&S武汉力源电子股份有限公司.TMS320C24x DSP控制器参考手册[Z].数字信号处理丛书，2001.
［责任编辑：邓丽丽］
