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高功率因数PWM整流器的控制设计方案解析
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2017-10-31
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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。
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。
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