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1、2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目： 基于TMS320F28027的新能源可控整流与控制技术的研究与实现学校： 电子科技大学 指导教师： 陈勇 组别： （专业组） 应用类别： （先进控制类） 平台： （C2000） 参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：梁炯炯：代文平：周虎：视频文件观看地址（内含PPT原理讲解，实物介绍及结果分析）： http:/ 研究院大楼318室收件人：梁炯炯联系方式：手机18981973014 固话：02861830662题 目： 基于TMS320F28027的新能源可控整 流与控制技术的研究与实现 摘要（中英文） 针对
2、新能源能量随机波动的缺点及传统整流方式的不足，提出了基于DSP的新能源可控整流技术。首先分析了三相PWM整流器在旋转坐标系下的数学模型，然后针对其数学模型的耦合性，采用基于同步旋转坐标系下的电流前馈解耦控制，使解耦后的电流控制模型等效为无耦合的一阶环节，分别实现对有功电流和无功电流的独立控制；并采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的控制策略，以TMS320F28027数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称 DSP)为控制核心实现了三相PWM整流器的电流解耦控制；最后通过仿真及实验平台验证了系统方案的可行性。Abstract：Three-phase PWM rec
3、tifier of New Energy based on DSP has been put forward by the disadvantages of random fluctuation about New Energy and the deficiency of the traditional rectifier . the Mathematic model of three-phase PWM rectifier in the d-q rotation frames is analyzed at first , to decouple the three-phase system
4、, the current feed-forward compensation based on synchronous rotation frames was used , the current model decoupled was equal to one-order system and realized the separated control on the active and inactive current . The Space Vector Pulse Width Modulation ( SVPWM ) scheme is applied into the contr
5、ol of three-phase PWM rectifier and decoupling control has been realized by DSP TMS320F28027 . The experimental results showed the feasibility of the design scheme of the system .1. 引言 进入21世纪后,全球范围内的能源短缺趋势越发明显，能源危机已经引发了一系列的全球问题，解决的途径只有一个，那就是以开发新的能源形式和新的节能技术相结合为基础, 建立一个新型的清洁，安全，可持续能源系统。新能源因其无污、可循环再生、
6、分布广泛等特性正被越爱越多的人所接受与认可，但其也存在能量随机波动的缺点：长时波动(昼夜或季节循环)，短时波动(小时级)和瞬时波动(秒级或更短)，具有间歇电源的不稳定性，因此如何实现新能源的整流仍是一大难题:传统的晶闸管相控整流器存在功率因数低、谐波大等缺陷；二极管整流器虽然输入电流的基波没有滞后，位移因数近似为 1，但谐波电流却很大。针对上述描述的问题，我们提出基于TMS320F28027的新能源可控整流与控制技术的研究与实现的设计方案，解决了传统意义上整流电路中存在谐波含量大、能量不能回馈和功率因数低等问题，为高效的新能源转换与控制技术的突破提供技术报障。2. 系统方案 2.1 系统总体设
7、计三相PWM整流器的结构如图2.1所示。本系统由进线电抗器、MOSFET、检测电路、控制电路、滤波电路及负载等组成。图2.1 系统整体框图在主电路的交流侧设置了四个霍尔电流传感器，采样两相网侧输入电压和两相网侧输入电压，直流母线输出端接一个霍尔电压传感器，采样输出电压。霍尔传感器采样信号经过调理电路再送到DSP进行A/D转换，完成系统的控制部分。DSP输出调制好的SVPWM，经过隔离和驱动电路后，控制主电路的六路MOSFET。DSP控制子模块原理如图2.2所示。图2.2 DSP控制电路子模块原理框图2.2 三相VSR的控制策略 随着PWM整流器在高性能电力电子装置的广泛应用，为达到更高的性能要
8、求，其控制策略的研究相继展开，主要围绕实现功率因数单位化、降低开关损耗、提高系统的动态响应和效率等几个方面进行。在三相VSR控制系统设计中，采用电流内环和电压外环的双闭环控制系统，电压外环的作用是控制三相VSR的直流侧电压，以及给定有功指令电流；电流内环的作用使网侧电流跟踪指令电流，实现功率因数单位化或可控，如图2.3所示。图2.3 三相VSR的控制原理在三相VSR控制系统中，采用电流内环和电压外环的双闭环控制，已达到较好的控制性能。3. 系统硬件设计3.1 三相PWM整流器主电路结构及动作分析图3.1 三相PWM整流器拓扑结构三相PWM整流器主电路拓扑结构如图3.1所示，电路的左半部分为三相
9、PWM整流桥，右半部分为零电压开关电路（ZVS），并且在开关器件上都并联了缓冲电容。由于整流器的开关频率远远高于电网频率，因此在一个开关周期内可以认为整流器的输入电流和输出电流是恒定的，从而可以用恒流源和来表示输入电流和输出电流，因此可用图3.2作为图3.1的等效图。图3.2 三相PWM整流器的等效图在图3.2中、分别代表整流的功率开关、续流二极管和缓冲电容，由于三相整流桥的上下桥臂功率开关器件总有一方导通，所以。软开关部分包含了两个开关器件和，两个二极管和，谐振电感和谐振电容、。在软开关的结构中是主谐振电容，是辅助电容用于降谐振电感的电流反向。在主谐振电容为零期间，三相桥的开关器件进行动作，
10、可以实现零电压操作，极大的降低了功耗。通过这个软开关结构可以将整流桥和辅助开关完全置于软开关的条件之下，同时能够省去直流环节的滤波电容（电解电容），能够减小充电器的体积，并且对充电寿命的延长起到很大的作用。3.2 主开关器件驱动电路的设计驱动电路提供了主电路与控制电路之间的接口，它能按控制要求对开关器件施加开通或者关断信号，并使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。此外，一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。本设计的全控器件采用的是MOSFET，开通时栅极电压不能超过12V20V的范围，当栅极电压为0时，处于截止状态。我们选择HCPL3180搭建MOS
11、FET的驱动电路，其电路图如图3.3所示。图3.3 MOSFET驱动电路驱动器HCPL3180为AVAGO公司的高速光电耦合器，将DSP与强电部分（MOSFET）隔离开以保护DSP，输出电流可达2A，更好的优点是HCPL3180输入侧不需要供电，HCPL3180的输入驱动二极管最小电流10mA，最大电流16mA，压降1.5V，所以输入限流电阻取100。门极电阻对开通影响较大，例如：开通损耗、MOSFET电流尖峰（续流二极管的反向恢复电流）、等，开通和关断延时加大，对关断影响不明显，驱动开通电压选择+15V，是为了降低饱和压降，减小通态损耗，驱动关断电压选择-5V是为了使MOSFET关断更可靠，
12、有利于防止误开通，减小关断损耗。3.3 电压及电流采样调理电路的设计电流和电压的检测均采用霍尔传感器，因为其输出的都是电压信号，所以电流和电压信号的处理可以使用相同结构的调理电路。采样调理电路如图3.4所示。图3.4 采样调理电路在本整流器的设计中，需要采样两路交流电流信号和负载端的电压信号。对电流的采样，使用的是L07P020D15霍尔电流传感器；对电压采样，使用的是BJHVS5-25A霍尔电压传感器。无论为霍尔电压传感器，还是霍尔电流传感器，其输出的均为弱电流信号，通过电阻R50转化成电压信号，经过电阻、电容组成的滤波器及同相比例放大器，将被测信号调理到DSP的A/D输入电压03.3V内，
13、再通过后端的钳位电路送至DSP的A/D输入端。3.4 辅助电源的设计在本设计中，辅助电源共用到5种规格电压，分别是3.3V、5V、15V，其中3.3V供给DSP，可由+5V电压通过专用的电压转换芯片得到。+15V应用在交、直流信号的采样调理电路和HCPL3180的电源以提供MOSFET开通的信号；-15V主要供给用于霍尔传感器及调理电路；-5V主要给HCPL3180供电以提供MOSFET关断的信号。系统供电框图如图3.5所示。图3.5 系统供电框图MOSFET的控制电源要求4路独立的高精度+15V及-5V电压，且纹波小，否则会引起MOSFET的误动作，损坏器件。本设计采用三端稳压器LM7815
14、和LM7905提供+15V和-5V电压，输出电压准确和稳定，达到很好的负载和线性调节效果，电源反应速度快，输出纹波较小，工作产生的噪声低，驱动MOSFET的效果好。3.5 过零检测电路的设计过零检测在系统中起了两个作用：1)测量电网电压的频率；2)提供电网电压初始相位时刻。这二者是实现系统输入电流跟踪电网电压并与之同频同相的必要条件，因此过零检测电路的设计是否合理非常关键。过零捕捉电路用于捕捉网侧交流电压过零点的时刻，其输出信号提供给 DSP的CAP1端口。软件锁相环的中断程序通过计算两次脉冲的时间间隔而得到交流电压的频率和相位信息。此电路由文氏滤波电路、过零比较电路及调压电路构成。图3.6 过零检测电路文氏滤波电路基于谐振原理，使其对基波阻抗最小且无相移，包括低通滤波器、高通滤波器两部分。R1和C1，组成低通滤波器，该低通滤波器可以滤去电网输入信号中的高次谐波，使波形得到改善，但是又使相位产生了滞后，因此又引入高通滤波器 R2，C2进行补偿。从电路中可以看出，该高通、低通滤波器拓扑结构完全相同，而且阻容对称分布，高通滤波器超前的相位就正好可以抵消低通滤波器滞后的相位，结果经两次滤波后，不但滤去了谐波，波形接近正弦，而且没有相移。为了得到更好的相位信号R3,C3与R4,C4同理。4. 系统软件设计详细介绍算法设计与算法流程图（不得大量复制源代码） 三相VSR的软件设计，主要包括
