用DSP實(shí)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(duì)PWM整流器進(jìn)行控制，并且設(shè)計(jì)了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的全數(shù)字控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)具有控制靈活，精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，所受干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；電流追蹤；脈寬調(diào)制整流器

1  引言

    PWM整流器是應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)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(guān)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(duì)整流器實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,這一方法相對(duì)于模擬控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

    2）可靠性高    微機(jī)系統(tǒng)由于采用元器件較少，信號(hào)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(hào)檢測(cè)將取得的信息寄存，具備記憶的能力，故容易實(shí)現(xiàn)故障診斷；

    4）參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)整流器的控制。

2  TMS320F240的主要特點(diǎn)

    TMS320F240是一款專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的DSP，因而，它不僅具有普通數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算功能——20MIPS的處理能力，而且片內(nèi)還集成了豐富的外設(shè)功能模塊：雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，28個(gè)可獨(dú)立編程的多路復(fù)用I/O引腳，帶有鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊，帶中斷的看門狗定時(shí)器模塊等。特別是F240片內(nèi)設(shè)置了一個(gè)事件管理器，可以提供12路比較/PWM通道，3個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元，3個(gè)單比較單元，3個(gè)16位通用定時(shí)器等，這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)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(yù)即可產(chǎn)生所需的PWM波，因而特別適合于控制需要多個(gè)PWM輸出的裝置，如三相電機(jī)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1  單相全橋主電路結(jié)構(gòu)

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(guān)管，D1～D4是整流二極管。通過對(duì)四個(gè)開關(guān)管進(jìn)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(jiǎn)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(hào)的幅值，乘以與電源電壓同相位的基準(zhǔn)正弦信號(hào)〔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(hào)送入比例調(diào)節(jié)器，輸出值再加上輸入電壓補(bǔ)償信號(hào)〔uT(t)〕后與三角載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生的調(diào)制波用于開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)。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(qiáng)迫實(shí)際輸入電流逼近參考電流的值。這種控制方法具有開關(guān)頻率固定，產(chǎn)生的噪聲小，開關(guān)損耗也較小，而且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也較好。

4  控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    針對(duì)以上的控制方案，本文設(shè)計(jì)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(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。其中，信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理單元主要完成強(qiáng)弱電隔離，電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大及濾波等功能，以滿足DSP控制系統(tǒng)對(duì)各路信號(hào)電平范圍和信號(hào)質(zhì)量的要求。

圖3  數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

    電流檢測(cè)與調(diào)理單元電路如圖4所示。電流傳感器輸出電流信號(hào)經(jīng)測(cè)量電阻RM轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，由運(yùn)算放大器U8構(gòu)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(hào)恰好落在±5V范圍。運(yùn)放U9構(gòu)成電平極性轉(zhuǎn)換級(jí)，把雙極性信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)。單極性0～＋5V信號(hào)是DSPA/D轉(zhuǎn)換所要求的，＋5V電源由LM336構(gòu)成的基準(zhǔn)電源供給。由RC構(gòu)成的簡(jiǎn)單低通濾波器，來濾除交流輸入電流的開關(guān)頻率次諧波，兩個(gè)二極管為鉗位二極管。

圖4  電流檢測(cè)與調(diào)理單元電路原理圖

    直流輸出電壓檢測(cè)與調(diào)理單元是直流側(cè)電壓閉環(huán)的前端傳感器，目的是測(cè)量直流側(cè)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(cè)與調(diào)理單元電路原理圖 

    交流輸入電壓信號(hào)作為同步信號(hào)，由于從電網(wǎng)輸入的電壓信號(hào)往往不是純正弦波，為此，必須對(duì)其進(jìn)行濾波才能準(zhǔn)確檢測(cè)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(yùn)放U11A及外圍阻容網(wǎng)絡(luò)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(hào)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(jìn)行補(bǔ)償。U11B及其外圍阻容網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，而且阻容對(duì)稱分布，只要各個(gè)參數(shù)選擇適當(dāng)，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(jié)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(hào)完全同步的方波信號(hào),電路如圖6所示。

圖6  交流輸入電壓信號(hào)的濾波與同步

    另外，對(duì)輸入電壓值檢測(cè)的不是電壓瞬時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流值。

圖7  電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流值電路原理

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

5  控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    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(duì)系統(tǒng)中各個(gè)輸入量的循環(huán)檢測(cè)；

    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(hào)為中斷源，置同步標(biāo)志，使整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行節(jié)奏與電網(wǎng)電壓保持一致；

    5）定時(shí)器中斷子程序    這是整個(gè)程序中最核心的部分，根據(jù)各部分運(yùn)算結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

    采用上述的方案，本文在實(shí)驗(yàn)室中搭建了一個(gè)小功率的實(shí)驗(yàn)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(jié)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(shè)計(jì)了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了小功率的實(shí)驗(yàn)。最后，通過實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)具有控制靈活，精度高，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，所受干擾小等優(yōu)點(diǎn)。