1引言
PWM整流器是應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型電源變流器,。其基本原理是通過控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使整流器輸入電流接近正弦波,，并且電流和電壓同相位,，從而消除大部分電流諧波并使功率因數(shù)接近于1。本文采用TI公司的TMS320F240DSP對整流器實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,這一方法相對于模擬控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）控制靈活在數(shù)字控制系統(tǒng)中,，主要利用軟件算法實(shí)現(xiàn)控制方案,，相比于模擬控制較靈活；
2）可靠性高微機(jī)系統(tǒng)由于采用元器件較少,，信號全部采用數(shù)字處理,，故受干擾小，可靠性高,；
3）故障分析容易信號檢測將取得的信息寄存,，具備記憶的能力，故容易實(shí)現(xiàn)故障診斷,；
4）參數(shù)設(shè)定簡便可以使系統(tǒng)的調(diào)試工作變得很方便,。
基于以上考慮，本文采用了以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整流器的控制,。
2TMS320F240的主要特點(diǎn)
TMS320F240是一款專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的DSP,，因而，它不僅具有普通數(shù)字信號處理器的高速運(yùn)算功能——20MIPS的處理能力,，而且片內(nèi)還集成了豐富的外設(shè)功能模塊：雙10位A/D轉(zhuǎn)換器,，28個(gè)可獨(dú)立編程的多路復(fù)用I/O引腳，帶有鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊,，帶中斷的看門狗定時(shí)器模塊等,。特別是F240片內(nèi)設(shè)置了一個(gè)事件管理器,，可以提供12路比較/PWM通道，3個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元,，3個(gè)單比較單元,，3個(gè)16位通用定時(shí)器等，這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制PWM波形的控制軟件和外部硬件,，只需很少的CPU干預(yù)即可產(chǎn)生所需的PWM波,，因而特別適合于控制需要多個(gè)PWM輸出的裝置，如三相電機(jī)和整流器,。
3PWM整流器主電路及控制方案
本文中主電路采用單相全橋結(jié)構(gòu),，如圖1所示。
圖中uN(t)是輸入的電網(wǎng)正弦波電壓,，Ud是輸出的恒定直流電壓,，us(t)是PWM整流器的輸入端電壓，是PWM控制下的脈沖波,，iN(t)是從電網(wǎng)輸入PWM整流器的電流,，S1～S4是開關(guān)管，D1～D4是整流二極管,。通過對四個(gè)開關(guān)管進(jìn)行合適的PWM控制,，就可以一方面保證輸出電壓Ud恒定，另一方面使輸入電流iN(t)與電網(wǎng)電壓uN(t)同相位,，電流iN(t)的波形接近正弦波,。本文所采用的控制方法為電流追蹤型控制,控制框圖如圖2所示。
其具體控制原理簡述如下：輸出電壓采樣值(ud)與給定參考電壓(ud＊)的偏差送入PI調(diào)節(jié)器,，得到的值作為參考電流信號的幅值,，乘以與電源電壓同相位的基準(zhǔn)正弦信號〔sin(ωt)〕后，作為參考電流的值,。從電感電路獲得輸入電流采樣值,，其電流誤差信號送入比例調(diào)節(jié)器，輸出值再加上輸入電壓補(bǔ)償信號〔uT(t)〕后與三角載波進(jìn)行比較,，產(chǎn)生的調(diào)制波用于開關(guān)管的觸發(fā)信號,。這樣，電流誤差放大器的輸出直接控制了PWM調(diào)制器的占空比,，強(qiáng)迫實(shí)際輸入電流逼近參考電流的值,。這種控制方法具有開關(guān)頻率固定，產(chǎn)生的噪聲小,，開關(guān)損耗也較小,，而且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也較好。
4控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
針對以上的控制方案,，本文設(shè)計(jì)了以TMS320F240為核心的數(shù)字控制系統(tǒng),，硬件框圖如圖3所示,。從圖中可以看到，控制系統(tǒng)主要包括以下幾部分：CPU及其外圍電路,，信號檢測與調(diào)理電路,，驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。其中,，信號檢測與調(diào)理單元主要完成強(qiáng)弱電隔離,，電平轉(zhuǎn)換和信號放大及濾波等功能，以滿足DSP控制系統(tǒng)對各路信號電平范圍和信號質(zhì)量的要求,。
電流檢測與調(diào)理單元電路如圖4所示,。電流傳感器輸出電流信號經(jīng)測量電阻RM轉(zhuǎn)換為電壓信號后，由運(yùn)算放大器U8構(gòu)成的放大器的增益與RM取值配合決定,，可使輸出的雙極性信號恰好落在±5V范圍,。運(yùn)放U9構(gòu)成電平極性轉(zhuǎn)換級，把雙極性信號按比例轉(zhuǎn)換成單極性信號,。單極性0～＋5V信號是DSPA/D轉(zhuǎn)換所要求的，＋5V電源由LM336構(gòu)成的基準(zhǔn)電源供給,。由RC構(gòu)成的簡單低通濾波器,，來濾除交流輸入電流的開關(guān)頻率次諧波，兩個(gè)二極管為鉗位二極管,。
直流輸出電壓檢測與調(diào)理單元是直流側(cè)電壓閉環(huán)的前端傳感器,，目的是測量直流側(cè)電容電壓，由于電容電壓含有一定的紋波,，故需引入濾波環(huán)節(jié),，電路原理如圖5所示。
交流輸入電壓信號作為同步信號,，由于從電網(wǎng)輸入的電壓信號往往不是純正弦波,，為此，必須對其進(jìn)行濾波才能準(zhǔn)確檢測電網(wǎng)輸入電壓的相位,，濾波器包括低通濾波器,、高通濾波器兩部分。運(yùn)放U11A及外圍阻容網(wǎng)絡(luò)組成二階低通濾波器,。該低通濾波器可以濾去電網(wǎng)輸入信號中的高次諧波,，使波形得到改善，但是又使相位產(chǎn)生了滯后,，因此又引入高通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償,。U11B及其外圍阻容網(wǎng)絡(luò)組成二階高通濾波器。從電路中可以看出,，該高通,、低通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同,，而且阻容對稱分布，只要各個(gè)參數(shù)選擇適當(dāng),，高通濾波器超前的相位就正好可以抵消低通濾波器滯后的相位,，結(jié)果經(jīng)兩次濾波后，不但濾去了諧波,，波形接近正弦,，而且沒有相位移。濾波以后再經(jīng)過過零回差電路,，得出與電網(wǎng)輸入信號完全同步的方波信號,電路如圖6所示,。
另外，對輸入電壓值檢測的不是電壓瞬時(shí)值而是有效值,，因而采用了圖7所示的精密整流電路將濾波后的電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的直流值,。
CPU及其外圍電路主要有時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等,。此外,，為了調(diào)試的方便，本系統(tǒng)還擴(kuò)展了一片16位RAM芯片來作為程序存儲(chǔ)器,。驅(qū)動(dòng)電路起到提高脈沖的驅(qū)動(dòng)能力和隔離的作用,。保護(hù)邏輯電路則保證當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號,。
5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本文中的控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾部分：
1）主程序主要完成系統(tǒng)的初始化和對系統(tǒng)中各個(gè)輸入量的循環(huán)檢測,；
2）電流處理子程序主要完成控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的數(shù)據(jù)處理；
3）電壓處理子程序主要完成控制系統(tǒng)中電壓控制環(huán)的數(shù)據(jù)處理,；
4）同步中斷子程序以同步信號為中斷源,，置同步標(biāo)志，使整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行節(jié)奏與電網(wǎng)電壓保持一致,；5）定時(shí)器中斷子程序這是整個(gè)程序中最核心的部分,，根據(jù)各部分運(yùn)算結(jié)果生成所需的PWM波。
軟件流程圖如圖8,、9,、10所示。
6實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用上述的方案,，本文在實(shí)驗(yàn)室中搭建了一個(gè)小功率的實(shí)驗(yàn)裝置,，其各部分參數(shù)如下：
輸入電壓交流170V
輸出電壓直流300V
輸出功率360W
各部分波形如圖11、12所示,。
7結(jié)語
PWM整流器是一種新型的電源變流器,，能使輸入的功率因數(shù)接近為1。本文采用電流追蹤型控制方法，設(shè)計(jì)了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的數(shù)字控制系統(tǒng),，并進(jìn)行了小功率的實(shí)驗(yàn),。最后，通過實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)具有控制靈活,，精度高,，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，所受干擾小等優(yōu)點(diǎn),。