用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制

摘要：PWM整流器是一种高功率因数的电源变流器。采用了电流追踪型控制方式对PWM整流器进行控制，并且设计了以高性能的DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制系统。实验证明，该控制系统具有控制灵活，精度高，动态响应好，所受干扰小等优点。

关键词：数字信号处理器；电流追踪；脉宽调制整流器

1  引言

    PWM整流器是应用脉宽调制技术发展起来的一种新型电源变流器。其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于1。本文采用TI公司的TMS320F240DSP对整流器实现数字控制,这一方法相对于模拟控制具有以下优点：

    1）控制灵活    在数字控制系统中，主要利用软件算法实现控制方案，相比于模拟控制较灵活；

    2）可靠性高    微机系统由于采用元器件较少，信号全部采用数字处理，故受干扰小，可靠性高；

    3）故障分析容易    信号检测将取得的信息寄存，具备记忆的能力，故容易实现故障诊断；

    4）参数设定简便    可以使系统的调试工作变得很方便。

    基于以上考虑，本文采用了以DSP为核心的数字控制系统实现对整流器的控制。

2  TMS320F240的主要特点

    TMS320F240是一款专门为电机控制而设计的DSP，因而，它不仅具有普通数字信号处理器的高速运算功能——20MIPS的处理能力，而且片内还集成了丰富的外设功能模块：双10位A/D转换器，28个可独立编程的多路复用I/O引脚，带有锁相环的时钟模块，带中断的看门狗定时器模块等。特别是F240片内设置了一个事件管理器，可以提供12路比较/PWM通道，3个具有死区功能的全比较单元，3个单比较单元，3个16位通用定时器等，这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制PWM波形的控制软件和外部硬件，只需很少的CPU干预即可产生所需的PWM波，因而特别适合于控制需要多个PWM输出的装置，如三相电机和整流器。

3  PWM整流器主电路及控制方案

    本文中主电路采用单相全桥结构，如图1所示。

图1  单相全桥主电路结构

图中uN(t)是输入的电网正弦波电压，Ud是输出的恒定直流电压，us(t)是PWM整流器的输入端电压，是PWM控制下的脉冲波，iN(t)是从电网输入PWM整流器的电流，S1～S4是开关管，D1～D4是整流二极管。通过对四个开关管进行合适的PWM控制，就可以一方面保证输出电压Ud恒定，另一方面使输入电流iN(t)与电网电压uN(t)同相位，电流iN(t)的波形接近正弦波。本文所采用的控制方法为电流追踪型控制,控制框图如图2所示。

图2  控制电路框图

    其具体控制原理简述如下：输出电压采样值(ud)与给定参考电压(ud＊)的偏差送入PI调节器，得到的值作为参考电流信号的幅值，乘以与电源电压同相位的基准正弦信号〔sin(ωt)〕后，作为参考电流的值。从电感电路获得输入电流采样值，其电流误差信号送入比例调节器，输出值再加上输入电压补偿信号〔uT(t)〕后与三角载波进行比较，产生的调制波用于开关管的触发信号。这样，电流误差放大器的输出直接控制了PWM调制器的占空比，强迫实际输入电流逼近参考电流的值。这种控制方法具有开关频率固定，产生的噪声小，开关损耗也较小，而且系统的动态性能也较好。

4  控制系统的硬件设计

    针对以上的控制方案，本文设计了以TMS320F240为核心的数字控制系统，硬件框图如图3所示。从图中可以看到，控制系统主要包括以下几部分：CPU及其外围电路，信号检测与调理电路，驱动电路和保护电路。其中，信号检测与调理单元主要完成强弱电隔离，电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足DSP控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。

图3  数字控制系统框图

    电流检测与调理单元电路如图4所示。电流传感器输出电流信号经测量电阻RM转换为电压信号后，由运算放大器U8构成的放大器的增益与RM取值配合决定，可使输出的双极性信号恰好落在±5V范围。运放U9构成电平极性转换级，把双极性信号按比例转换成单极性信号。单极性0～＋5V信号是DSPA/D转换所要求的，＋5V电源由LM336构成的基准电源供给。由RC构成的简单低通滤波器，来滤除交流输入电流的开关频率次谐波，两个二极管为钳位二极管。

图4  电流检测与调理单元电路原理图

    直流输出电压检测与调理单元是直流侧电压闭环的前端传感器，目的是测量直流侧电容电压，由于电容电压含有一定的纹波，故需引入滤波环节，电路原理如5所示。

图5  直流输出电压检测与调理单元电路原理图 

    交流输入电压信号作为同步信号，由于从电网输入的电压信号往往不是纯正弦波，为此，必须对其进行滤波才能准确检测电网输入电压的相位，滤波器包括低通滤波器、高通滤波器两部分。运放U11A及外围阻容网络组成二阶低通滤波器。该低通滤波器可以滤去电网输入信号中的高次谐波，使波形得到改善，但是又使相位产生了滞后，因此又引入高通滤波器进行补偿。U11B及其外围阻容网络组成二阶高通滤波器。从电路中可以看出，该高通、低通滤波器拓扑结构完全相同，而且阻容对称分布，只要各个参数选择适当，高通滤波器超前的相位就正好可以抵消低通滤波器滞后的相位，结果经两次滤波后，不但滤去了谐波，波形接近正弦，而且没有相位移。滤波以后再经过过零回差电路，得出与电网输入信号完全同步的方波信号,电路如图6所示。

图6  交流输入电压信号的滤波与同步

    另外，对输入电压值检测的不是电压瞬时值而是有效值，因而采用了图7所示的精密整流电路将滤波后的电压信号转换成对应的直流值。

图7  电压信号转换成对应的直流值电路原理

    CPU及其外围电路主要有时钟电路，复位电路等。此外，为了调试的方便，本系统还扩展了一片16位RAM芯片来作为程序存储器。驱动电路起到提高脉冲的驱动能力和隔离的作用。保护逻辑电路则保证当发生故障时，系统能从硬件上直接封锁输出脉冲信号。

5  控制系统的软件设计

    本文中的控制系统软件主要包括以下几部分：

    1）主程序    主要完成系统的初始化和对系统中各个输入量的循环检测；

    2）电流处理子程序    主要完成控制系统中电流控制环的数据处理；

    3）电压处理子程序    主要完成控制系统中电压控制环的数据处理；

    4）同步中断子程序    以同步信号为中断源，置同步标志，使整个控制系统的软件运行节奏与电网电压保持一致；

    5）定时器中断子程序    这是整个程序中最核心的部分，根据各部分运算结果生成所需的PWM波。

    软件流程图如图8、9、10所示。

图8  主程序流程图

图9  同步中断子程序 

图10  电流、电压处理子程序

6  实验结果

    采用上述的方案，本文在实验室中搭建了一个小功率的实验装置，其各部分参数如下：

    输入电压    交流170V

    输出电压    直流300V

    输出功率    360W

    各部分波形如图11、12所示。

图11  交流输入电压及电流波形

图12  输出直流电压和输入电流波形

7  结语

    PWM整流器是一种新型的电源变流器，能使输入的功率因数接近为1。本文采用电流追踪型控制方法，设计了以高性能的DSP芯片TMS320F240为核心的数字控制系统，并进行了小功率的实验。最后，通过实验证明该控制系统具有控制灵活，精度高，同时动态响应好，所受干扰小等优点。