SVPWM整流器的无差拍控制技术 Dead beat control strategy for svpwm rectifi er 张 辑1，魏盛彪2，孙祖明3 ZHANG Ji1, WEI Sheng-biao2, SUN Zu-ming3 （1. 厦门理工学院 电子与电气工程系，厦门 361024；2. 福建省南平电业局，南平 350003； 3. 北京煤炭科学研究院，北京 100013） 摘 要：为了便于PWM整流器控制策略的数字实现，本文提出了一种SVPWM整流器的无差拍控制策 略。为分析无差拍控制，本文推导了三相PWM整流器的离散数学模型，提出了在dq坐标系进 行无差拍控制的方法，由于控制量是直流量，稳态时就省去了预测环节。在MATLAB下的仿 真结果证明了控制方法的有效性，且可达到良好的动静态效果。 关键词：无差拍控制；PWM整流器；离散数学模型 中图分类号：TP391 　 文献标识码：B 　 文章编号：1009-0134(2010)06-0236-03 Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.78 0 引言 在电能变换技术中，传统的二极管和相控整 流会产生大量谐波，而PWM整流器可以克服这一 缺点，其输入电网电流接近正弦并且功率因数可 调(可实现单位功率因数)，与逆变器结合可以实 现四象限运行。因此，PWM整流器被越来越多的 应用于工业生产中，而PWM整流器控制策略也成 为国内外研究的热点[1]。现在，研究的较多的是 矢量控制。这种方法采用PI调节器作为控制的主 要元件，控制简单。但是，研究便于数字实现的 文献却比较少。为了便于PWM整流器控制策略的 数字实现，本文研究了PWM整流器的无差拍控制 策略。无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反 馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现的全 数字化控制方式。它较之其他的数字反馈控制方 法具有更快的动态响应等优点，可以大大的提高 PWM逆变器的动态响应[2]。 无差拍控制最早是由卡尔曼提出的，它是一 种基于被控对象精确数学模型的控制算法。1985 年，Gokhale在PESC年会上提出将无差拍控制应 用于逆变器，逆变器的无差拍控制才引起广泛重 视。但目前关于整流器的无差拍控制研究的还比 较少。目前，研究的整流器的无差拍控制是基于 αβ坐标系（静止坐标系），这种方法实现了电流 的稳态无差拍，控制原理简单，但是由于控制的 变量是交流量，所以需要预测下一拍的电流[3]。针 对这个问题，本文设计了一种基于dq坐标系（旋 转坐标系）的电流无差拍控制技术。由于在dq坐 标系中，给定量稳态时都是直流量，而差一拍跟 踪直流是不会有误差的，因此不需要预测技术也 可以实现无差拍的控制效果。所以，这种方法使 控制变得更加简单。 1 PWM整流器的数学模型及其离散化 三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 的 主 电 路 如 图 1 所 示，其三相交流电压方程为[4]： (1) 式中ea、eb、ec为供电侧三相交流电压； ua、ub、uc为PWM整流桥输入端三相交流电 压； ia、ib、ic为PWM整流器三相交流电流； R、L分别为交流电抗器的电感和电阻。 对式(1)进行3/2变换和旋转变换可得与电网供 电频率 同步旋转的d-q坐标系模型[1] (2) 其中：ed、eq为电网电动势矢量的d、q分量； ud、uq为PWM整流器交流侧输出电压矢量的d、q 收稿日期：2010-03-15 基金项目：福建省自然科学基金项目资助（3502Z20083031） 作者简介：张辑（1976－），男，福建厦门人，助教，硕士，研究方向为电力电子等方向。 【236】 第32卷 第6期 2010-6 

整流器离散化后的数学模型为： (6) 2 无差拍控制的原理 无差拍（deadbeat）又称“无过冲”，无差拍 是指：在每一个采样点上系统的输出都与其指令 完全一致，没有任何相位滞后和幅值偏差。从其 定义即可看出，无差拍控制是数字系统特有的控 制方式。它与最少拍控制有相似之处，表现在二 者都具有“有限调节时间”特性。 数字系统之所以能实现无差拍控制效果，是 因为系统下一拍的输出量总是可以表示为当前时 刻的输入控制量与系统状态变量的线性组合。比 如，一个数字系统若能用以下状态方程描述[6]： 图1 三相电压型PWM整流器拓扑结构 分量； id、iq为PWM整流器交流电流矢量的d、q 分量。由式(2)可知，d-q坐标系中的电源电压各分 量均可分为三部分： 1）交流电抗器的电阻和电感引起的压降； 2）耦合电压ωLiq(ωLiq)，d-q轴间的耦合作用 主要是由该项电压产生； 3）整流器的反电动势ud（ud），由整流器直 流侧滤波电容所引起。 将式(2)变型为： (3) 则下一拍的输出量可以表示为： 若将左端替换为下一拍的指令r(k+1)即得： 如果按照式控制的要求来选择施加于控制对 象的控制量u(k+1)，则： 以上表明：系统的输出在每一拍都与指令相 等，这也就是无差拍控制的效果。 令， （单位阵） 可得用状态方程描述三相电压型PWM整流器 在dq坐标系下的数学模型为[5]： (4) 将式(4)离散化，得： 其中， (5) 由于C是单位阵，所以它离散化后是其本身。 将矩阵A,B代入式(5)，进行一价离散化，得PWM 图2 无差拍控制原理图 3 基于dq坐标系的电流无差拍控制 系统 基 于 上 述 理 论 ， 本 文 设 计 了 P W M 整 流 器 的 电流无差拍控制系统。控制系统采用电压外环电 流内环的双闭环控制结构。电压外环可以保证系 第32卷 第6期 2010-6 【237】 

统的稳定性，电流内环用来提高系统的快速性。 本文电压外环采用传统的PI调节器来保证稳态性 能，而电流内环就采用设计的无差拍控制器来保 证系统的动态性能。 根据第三节提到的无差拍控制的原理，将式 (6)变型，得到无差拍控制电压指令计算公式： (7) 由于给定电流 id *(t)、iq *(k+1)=iq *(t) 在稳定后是直流 *(k) 、 *(k)这也体现了差拍控制跟踪直流无静差 量，所以对它直接进行采样，且id iq 的特点。 *(k+1)=id 图4 整流器直流侧电压和交流侧电压电流波形 图3 SVPWM整流器无差拍控制结构图 4 仿真结果与分析 采用MATLAB/SIMULINK进行仿真，仿真参 数为：电网电压幅值为60V，频率为50Hz，整流 器交流测电感为0.24mH，交流测电阻为0.1。 直流 给定电压为150V。图4为整流器直流侧电压和交流 侧电压电流波形，该图表明，无差拍控制系统可 以实现可控直流电压和网侧单位功率因数。图5为 负载在0.15个电网周期突减50%时，整流器直流侧 电压和交流侧电压电流波形，该图表明，在负载 突变时，控制系统仍能自我调节到平衡点，有一 定的鲁棒性。 5 结束语 本文提出了一种便于数字实现的SVPWM整流 器控制策略，即无差拍控制，并给出了三相PWM 整流器的离散数学模型。将控制量经过3/2变换和旋 【238】 第32卷 第6期 2010-6 图5 负载突减50%，整流器直流侧电压和 交流侧电压电流波形 

转坐标变换，变换到dq坐标系进行控制，由于控 制量都是直流量，在稳态时，避免了预测环节， 可以实现稳态无静差，无差拍跟踪给定量。结合 S V P W M 技 术 ， 实 现 了 对 P W M 整 流 器 的 有 效 控 制，实验结果表明，控制策略可以实现电流的快 速跟踪，且谐波含量小，是一种有效的数字实现 方法。 参考文献： 2004,2. [2] 郭卫农,段善旭,康勇,陈坚.基于DSP实现的无差拍控制逆 变器[J].通信电源技术,2001. [3] 郭卫农,段善旭,康勇,陈坚.电压型逆变器的无差拍控制 技术研究[J].华中理工大学学报,2000,28(6). [4] 张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业 出版社,2003. [5] 何英杰,邹云屏,刘飞,等.二极管钳位多电平有源电力滤 波器的仿真[J].电力系统自动化,2006,30(10). [6] 孙辉. 配电网络电能扰动辨识与电能质量调节研究[D]. [1] Wang Hu,Chen Jihua,Huang Shoudao,Wang Yaonan.”The investigation of PWM rectifier control method”.IEEE 大连理工大学,2002. 【上接第63页】 Marine Electronics Association），国际海洋电子协 会）00183（Version 2.2），ASCII接口说明. GPS 子程序的流程图如图10所示。 7 结论 本文设计了GPS定位系统，主要用于地点的 三维定位，系统拥有的功能有目标的坐标定位， 并通过压力传感器矫正高度坐标，带有时间和温 度的显示和存储，并提供了流行的USB接口，方 便了系统和其它设备相连，扩展了系统的功能和 应用范围，也可进行软件的升级。系统分为硬件 和软件设计两部分，硬件采用高度集成化的芯片 和当今流行的SMT(贴片封装)，使系统能减少体 积.通过采用压力传感器SCP-1000改善了系统的精 度，优化了结构。由于时间关系，系统中的USB 芯片FT8U232AM是将串口转换为USB数据格式， 这也在一定程度上限制了系统的功能扩展。软件 方面，系统采用模块化的设计方法，容易编写和 改写，升级。 参考文献： [1] 付华,郭虹,徐耀松.智能仪器设计[M].国防工业出版社,2007. [2] 刘大杰,释一民.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理 [M].同济大学出版社,2003. [3] 张凤举,王宝山.GPS定位技术[M].煤炭工业出版社,1997. [4] 张念淮,江浩.USB总线接口开发指南[M].国防工业出版 社,2002. [5] 干国强,邱致和.导航与定位-现代战争的北斗星[M].国防 工业出版社,2000,5. [6] Shyu.Automatic Working Vehicular System[M].US Patent, 1990. 第32卷 第6期 2010-6 【239】 图9 系统电源电路 用在增加，系统功能的实现、性能的提升越来越 依赖于软件方面了，VHDL和Verilog HDL语言在 EDA领域中的作用表明了这点。 在系统中我们采用模块化设计的方法，其主 要优点是提高代码重复利用率、便于调试排错和 易于扩展。GR-89接口协议基于NMEA（National 图10 GPS处理流程图