1、导读 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
2、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
3、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
4、 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，S1S4是开关管，D1D4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
5、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(t)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 TMS3
6、20F240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05V 信号是 D
7、SPA/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。
8、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
9、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
