用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制

2006-10-18 14:06:13来源: 单片机与嵌入式系统ic网
、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。

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  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。

  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。

  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。

  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,电路原理如图5所示。

  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。

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  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。

  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。

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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。

         

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。

关键字:脉宽  变流  谐波  数字

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