用DSP實現高功率因數PWM整流器的控制??

摘要：PWM整流器是一種高功率因數的電源變流器。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為核心的全數字控制系統。實驗證明，該控制系統具有控制靈活，精度高，動態響應好，所受干擾小等優點。

關鍵詞：數字信號處理器；電流追蹤；脈寬調制整流器

1? 引言

??? PWM整流器是應用脈寬調制技術發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，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接近于1。本文采用TI公司的TMS320F240DSP對整流器實現數字控制,這一方法相對于模擬控制具有以下優點：

??? 1）控制靈活??? 在數字控制系統中，主要利用軟件算法實現控制方案，相比于模擬控制較靈活；

??? 2）可靠性高??? 微機系統由于采用元器件較少，信號全部采用數字處理，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，故容易實現故障診斷；

??? 4）參數設定簡便??? 可以使系統的調試工作變得很方便。

??? 基于以上考慮，本文采用了以DSP為核心的數字控制系統實現對整流器的控制。

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，它不僅具有普通數字信號處理器的高速運算功能——20MIPS的處理能力，而且片內還集成了豐富的外設功能模塊：雙10位A/D轉換器，28個可獨立編程的多路復用I/O引腳，帶有鎖相環的時鐘模塊，帶中斷的看門狗定時器模塊等。特別是F240片內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生同步脈寬調制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調節器，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節器，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，產生的調制波用于開關管的觸發信號。這樣，電流誤差放大器的輸出直接控制了PWM調制器的占空比，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，產生的噪聲小，開關損耗也較小，而且系統的動態性能也較好。

4? 控制系統的硬件設計

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

圖3? 數字控制系統框圖

??? 電流檢測與調理單元電路如圖4所示。電流傳感器輸出電流信號經測量電阻RM轉換為電壓信號后，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構成電平極性轉換級，把雙極性信號按比例轉換成單極性信號。單極性0～＋5V信號是DSPA/D轉換所要求的，＋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? 電流檢測與調理單元電路原理圖

??? 直流輸出電壓檢測與調理單元是直流側電壓閉環的前端傳感器，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，故需引入濾波環節，電路原理如5所示。

圖5? 直流輸出電壓檢測與調理單元電路原理圖

??? 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及外圍阻容網絡組成二階低通濾波器。該低通濾波器可以濾去電網輸入信號中的高次諧波，使波形得到改善，但是又使相位產生了滯后，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。濾波以后再經過過零回差電路，得出與電網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換成對應的直流值。

圖7? 電壓信號轉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，為了調試的方便，本系統還擴展了一片16位RAM芯片來作為程序存儲器。驅動電路起到提高脈沖的驅動能力和隔離的作用。保護邏輯電路則保證當發生故障時，系統能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號。

5? 控制系統的軟件設計

??? 本文中的控制系統軟件主要包括以下幾部分：

??? 1）主程序??? 主要完成系統的初始化和對系統中各個輸入量的循環檢測；

??? 2）電流處理子程序??? 主要完成控制系統中電流控制環的數據處理；

??? 3）電壓處理子程序??? 主要完成控制系統中電壓控制環的數據處理；

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

??? 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為核心的數字控制系統，并進行了小功率的實驗。最后，通過實驗證明該控制系統具有控制靈活，精度高，同時動態響應好，所受干擾小等優點。