基于DSP控制的電壓型PWM整流器

摘要 根據(jù)PWM整流電路的工作原理，分析了PWM整流控制方式，采用滯環(huán)電流控制方式，以TMS320F2812為控制器組建了電壓型PWM整流器雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。為設(shè)計(jì)PWM整流器提供了一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞 PWM整流；滯環(huán)電流控制；DSP

    工業(yè)中的變流器大多需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。常規(guī)的整流環(huán)節(jié)一般采用二極管布控整流或晶閘管相控整流，雖然電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠，但存在以下問題：網(wǎng)側(cè)電流波形嚴(yán)重畸變，造成功率因數(shù)低，最高功率因數(shù)約為0．8；大量無功功率的消耗會(huì)給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)，不僅增加了輸電線路的損耗，而且嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量；輸入電流中含有豐富的低次諧波電流，帶來電網(wǎng)污染。而應(yīng)用MOSFET、IGBT等全控器件、采用PWM整流技術(shù)，可以使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，變流器可運(yùn)行于單位功率因數(shù)，能量可以雙向流動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換。因此，對(duì)其進(jìn)行研究將會(huì)促進(jìn)新型整流技術(shù)的快速發(fā)展。文中以三相電壓型PWM整流器為研究對(duì)象，以TMS320F2812為控制器，組建PWM整流器雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行分析研究。

1 控制方法分析
1．1 PWM整流控制方式
    不斷發(fā)展的PWM整流器有許多種控制方法，就電壓型PWM整流器的控制方式而言，主要分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制是指通過控制整流器輸入端電壓，使其與電源電壓保持一定的幅值相位關(guān)系，從而控制交流側(cè)輸入電流呈正弦波形，使裝置運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。直接電流控制通常在控制系統(tǒng)中引入實(shí)際的交流輸入電流的反饋信號(hào)，將其與給定信號(hào)比較，通過對(duì)其誤差的調(diào)節(jié)來控制器件的通斷，使得在一定誤差范圍內(nèi)，保證實(shí)際電流與給定信號(hào)的一致，形成電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
    由于幅相控制策略動(dòng)態(tài)性能不好，電流調(diào)整能力不強(qiáng)，計(jì)算模塊依賴參數(shù)精確性，穩(wěn)態(tài)性能有偏差。而直接電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能好，因此得到了廣泛應(yīng)用，其主要分為滯環(huán)電流控制、預(yù)測(cè)電流控制、定頻PWM控制等。其中，滯環(huán)PWM電流控制，能加速電流的響應(yīng)，并能對(duì)電壓外環(huán)控制的對(duì)象起改造作用，從而改善電壓外環(huán)的性能。
1．2 PWM滯環(huán)電流控制方式
    滯環(huán)電流控制是通過反饋電流if與給定電流ir進(jìn)行滯環(huán)比較，將兩者的偏差限制在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)反饋電流if<ir-0．5ih時(shí)，ih為滯環(huán)寬度，調(diào)制電路的輸出使系統(tǒng)輸入側(cè)電流is增大；當(dāng)if>ir-0．5ih時(shí)，調(diào)制電路的輸出使系統(tǒng)輸入側(cè)電流is減小。這樣不斷進(jìn)行滯環(huán)比較調(diào)節(jié)，使is始終跟蹤給定電流ir，圍繞給定電流波形作鋸齒狀變化，并將誤差限制在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)。若給定電流波形為正弦，滯環(huán)寬度ih恒定，則is的波形就會(huì)接近于正弦。
    滯環(huán)PWM電流控制結(jié)構(gòu)中無傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器，而是一個(gè)非線性的滯環(huán)環(huán)節(jié)。當(dāng)電流偏差超越滯環(huán)寬度時(shí)，主電路功率開關(guān)管切換，迫使電流偏差減小，是一種典型的非線性控制。

2 三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
    按照三相電壓型PWM整流器的工作原理組建了雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示，控制器采用TMS320F2812。

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2．2 系統(tǒng)主電路
    系統(tǒng)主電路如圖2所示。6個(gè)全控型器件由3個(gè)型號(hào)為SMK 100 GB 121 D的模塊組成，電感Is=5mH，C=2 200 μF，R=25 Ω，三相交流電壓為70V。驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L，其內(nèi)部具有退飽和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)。

2．3 電流電壓檢測(cè)
    采取控制回路和主回路的隔離，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。對(duì)直流電壓反饋采樣時(shí)，用線性光耦LOC110進(jìn)行隔離，直流電壓檢測(cè)調(diào)理電路為圖3所示。數(shù)字控制部分只能識(shí)別正的電壓信號(hào)，而采樣的交流電壓和交流電流信號(hào)是交流的，既有正半周又有負(fù)半周，要通過調(diào)理電路把采樣的信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP能夠全部識(shí)別的信號(hào)。TMS320F2812片內(nèi)A／D采樣的輸入電平范圍為0～3 V，因此需要通過模擬采樣調(diào)理模塊，將采集信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，得到DSP可以處理的0～3 V以內(nèi)的信號(hào)。交流采樣調(diào)理電路如圖4所示，對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行隔離采樣，將采樣到的電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器變換到-1．5～+1．5 V的電壓區(qū)間內(nèi)，最后再加上1．5 V的電壓偏移量形成0～3 V的交流電壓送到DSP。[!--empirenews.page--]

2．4 軟件流程圖
    PWM整流采用滯環(huán)電流控制，電壓調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)，其軟件流程如圖5所示。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    為驗(yàn)證控制方式和控制策略的正確性，以TI公司的TMS320F2812 EVM板為控制器，組建了三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)IS=5 mH，C=2 200μF，R=25 Ω，三相交流電壓為70 V，電壓反饋系數(shù)為α=0．01。整流輸出額定電壓為160 V，阻性負(fù)載功率為1 kw。穩(wěn)態(tài)時(shí)電源電壓和電流波形如圖6所示，系統(tǒng)階躍響應(yīng)和負(fù)載跳變時(shí)輸出電壓的實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出：輸入電流接近正弦，且和輸入電壓幾乎同相位，系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)束語
    文中采用PWM滯環(huán)電流控制，組建了一臺(tái)1 kW的PWM整流電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù)，輸入電流接近正弦，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染少，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。