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用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制

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作者:王义锋 金新民时间:2007-02-27来源:中电网收藏
1引言 

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TMS320F240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,本文采用了以为核心的数字控制系统实现对整流器的控制。

2TMS320F240的主要特点

TMS320F240是一款专门为电机控制而设计的,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/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。

3PWM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。

                    单相全桥结构

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。

                       电流追踪型控制

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。

                        硬件框图

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

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