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基于DSP的高功率因数PWM整流器的控制实现

作者:lol菠菜 发布时间:2020-08-17 16:15 点击:

  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。

  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;

  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。

  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。

  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(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。

  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5所示。

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