用DSP實現(xiàn)高功率因數(shù)PWM整流器的控制

摘要：PWM整流器是一種高功率因數(shù)的電源變流器。采用了電流追蹤型控制方式對PWM整流器進行控制，并且設計了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的全數(shù)字控制系統(tǒng)。實驗證明，該控制系統(tǒng)具有控制靈活，精度高，動態(tài)響應好，所受干擾小等優(yōu)點。

關鍵詞：數(shù)字信號處理器；電流追蹤；脈寬調(diào)制整流器

1  引言

    PWM整流器是應用脈寬調(diào)制技術發(fā)展起來的一種新型電源變流器。其基本原理是通過控制功率開關管的通斷狀態(tài)，使整流器輸入電流接近正弦波，并且電流和電壓同相位，從而消除大部分電流諧波并使功率因數(shù)接近于1。本文采用TI公司的TMS320F240DSP對整流器實現(xiàn)數(shù)字控制,這一方法相對于模擬控制具有以下優(yōu)點：

    1）控制靈活    在數(shù)字控制系統(tǒng)中，主要利用軟件算法實現(xiàn)控制方案，相比于模擬控制較靈活；

    2）可靠性高    微機系統(tǒng)由于采用元器件較少，信號全部采用數(shù)字處理，故受干擾小，可靠性高；

    3）故障分析容易    信號檢測將取得的信息寄存，具備記憶的能力，故容易實現(xiàn)故障診斷；

    4）參數(shù)設定簡便    可以使系統(tǒng)的調(diào)試工作變得很方便。

    基于以上考慮，本文采用了以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整流器的控制。

2  TMS320F240的主要特點

    TMS320F240是一款專門為電機控制而設計的DSP，因而，它不僅具有普通數(shù)字信號處理器的高速運算功能——20MIPS的處理能力，而且片內(nèi)還集成了豐富的外設功能模塊：雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，28個可獨立編程的多路復用I/O引腳，帶有鎖相環(huán)的時鐘模塊，帶中斷的看門狗定時器模塊等。特別是F240片內(nèi)設置了一個事件管理器，可以提供12路比較/PWM通道，3個具有死區(qū)功能的全比較單元，3個單比較單元，3個16位通用定時器等，這一外設裝置大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制PWM波形的控制軟件和外部硬件，只需很少的CPU干預即可產(chǎn)生所需的PWM波，因而特別適合于控制需要多個PWM輸出的裝置，如三相電機和整流器。

3  PWM整流器主電路及控制方案

    本文中主電路采用單相全橋結構，如圖1所示。

圖1  單相全橋主電路結構

圖中uN(t)是輸入的電網(wǎng)正弦波電壓，Ud是輸出的恒定直流電壓，us(t)是PWM整流器的輸入端電壓，是PWM控制下的脈沖波，iN(t)是從電網(wǎng)輸入PWM整流器的電流，S1～S4是開關管，D1～D4是整流二極管。通過對四個開關管進行合適的PWM控制，就可以一方面保證輸出電壓Ud恒定，另一方面使輸入電流iN(t)與電網(wǎng)電壓uN(t)同相位，電流iN(t)的波形接近正弦波。本文所采用的控制方法為電流追蹤型控制,控制框圖如圖2所示。

圖2  控制電路框圖

    其具體控制原理簡述如下：輸出電壓采樣值(ud)與給定參考電壓(ud＊)的偏差送入PI調(diào)節(jié)器，得到的值作為參考電流信號的幅值，乘以與電源電壓同相位的基準正弦信號〔sin(ωt)〕后，作為參考電流的值。從電感電路獲得輸入電流采樣值，其電流誤差信號送入比例調(diào)節(jié)器，輸出值再加上輸入電壓補償信號〔uT(t)〕后與三角載波進行比較，產(chǎn)生的調(diào)制波用于開關管的觸發(fā)信號。這樣，電流誤差放大器的輸出直接控制了PWM調(diào)制器的占空比，強迫實際輸入電流逼近參考電流的值。這種控制方法具有開關頻率固定，產(chǎn)生的噪聲小，開關損耗也較小，而且系統(tǒng)的動態(tài)性能也較好。

4  控制系統(tǒng)的硬件設計

    針對以上的控制方案，本文設計了以TMS320F240為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，硬件框圖如圖3所示。從圖中可以看到，控制系統(tǒng)主要包括以下幾部分：CPU及其外圍電路，信號檢測與調(diào)理電路，驅(qū)動電路和保護電路。其中，信號檢測與調(diào)理單元主要完成強弱電隔離，電平轉(zhuǎn)換和信號放大及濾波等功能，以滿足DSP控制系統(tǒng)對各路信號電平范圍和信號質(zhì)量的要求。

圖3  數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

    電流檢測與調(diào)理單元電路如圖4所示。電流傳感器輸出電流信號經(jīng)測量電阻RM轉(zhuǎn)換為電壓信號后，由運算放大器U8構成的放大器的增益與RM取值配合決定，可使輸出的雙極性信號恰好落在±5V范圍。運放U9構成電平極性轉(zhuǎn)換級，把雙極性信號按比例轉(zhuǎn)換成單極性信號。單極性0～＋5V信號是DSPA/D轉(zhuǎn)換所要求的，＋5V電源由LM336構成的基準電源供給。由RC構成的簡單低通濾波器，來濾除交流輸入電流的開關頻率次諧波，兩個二極管為鉗位二極管。

圖4  電流檢測與調(diào)理單元電路原理圖

    直流輸出電壓檢測與調(diào)理單元是直流側電壓閉環(huán)的前端傳感器，目的是測量直流側電容電壓，由于電容電壓含有一定的紋波，故需引入濾波環(huán)節(jié)，電路原理如5所示。

圖5  直流輸出電壓檢測與調(diào)理單元電路原理圖 

    交流輸入電壓信號作為同步信號，由于從電網(wǎng)輸入的電壓信號往往不是純正弦波，為此，必須對其進行濾波才能準確檢測電網(wǎng)輸入電壓的相位，濾波器包括低通濾波器、高通濾波器兩部分。運放U11A及外圍阻容網(wǎng)絡組成二階低通濾波器。該低通濾波器可以濾去電網(wǎng)輸入信號中的高次諧波，使波形得到改善，但是又使相位產(chǎn)生了滯后，因此又引入高通濾波器進行補償。U11B及其外圍阻容網(wǎng)絡組成二階高通濾波器。從電路中可以看出，該高通、低通濾波器拓撲結構完全相同，而且阻容對稱分布，只要各個參數(shù)選擇適當，高通濾波器超前的相位就正好可以抵消低通濾波器滯后的相位，結果經(jīng)兩次濾波后，不但濾去了諧波，波形接近正弦，而且沒有相位移。濾波以后再經(jīng)過過零回差電路，得出與電網(wǎng)輸入信號完全同步的方波信號,電路如圖6所示。

圖6  交流輸入電壓信號的濾波與同步

    另外，對輸入電壓值檢測的不是電壓瞬時值而是有效值，因而采用了圖7所示的精密整流電路將濾波后的電壓信號轉(zhuǎn)換成對應的直流值。

圖7  電壓信號轉(zhuǎn)換成對應的直流值電路原理

    CPU及其外圍電路主要有時鐘電路，復位電路等。此外，為了調(diào)試的方便，本系統(tǒng)還擴展了一片16位RAM芯片來作為程序存儲器。驅(qū)動電路起到提高脈沖的驅(qū)動能力和隔離的作用。保護邏輯電路則保證當發(fā)生故障時，系統(tǒng)能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號。

5  控制系統(tǒng)的軟件設計

    本文中的控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾部分：

    1）主程序    主要完成系統(tǒng)的初始化和對系統(tǒng)中各個輸入量的循環(huán)檢測；

    2）電流處理子程序    主要完成控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的數(shù)據(jù)處理；

    3）電壓處理子程序    主要完成控制系統(tǒng)中電壓控制環(huán)的數(shù)據(jù)處理；

    4）同步中斷子程序    以同步信號為中斷源，置同步標志，使整個控制系統(tǒng)的軟件運行節(jié)奏與電網(wǎng)電壓保持一致；

    5）定時器中斷子程序    這是整個程序中最核心的部分，根據(jù)各部分運算結果生成所需的PWM波。

    軟件流程圖如圖8、9、10所示。

圖8  主程序流程圖

圖9  同步中斷子程序 

圖10  電流、電壓處理子程序

6  實驗結果

    采用上述的方案，本文在實驗室中搭建了一個小功率的實驗裝置，其各部分參數(shù)如下：

    輸入電壓    交流170V

    輸出電壓    直流300V

    輸出功率    360W

    各部分波形如圖11、12所示。

圖11  交流輸入電壓及電流波形

圖12  輸出直流電壓和輸入電流波形

7  結語

    PWM整流器是一種新型的電源變流器，能使輸入的功率因數(shù)接近為1。本文采用電流追蹤型控制方法，設計了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，并進行了小功率的實驗。最后，通過實驗證明該控制系統(tǒng)具有控制靈活，精度高，同時動態(tài)響應好，所受干擾小等優(yōu)點。