用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制

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。

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。

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为的数字控制系统，硬件框。从中可以看到，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。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。

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。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。

另外，对输入电压值检测的不是电压瞬时值而是有效值，因而采用了所示的精密整流电路将滤波后的电压信号转换成对应的直流值。

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的部分，根据各部分运算结果生成所需的PWM波。

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

7\结语

PWM整流器是一种新型的电源变流器，能使输入的功率因数接近为1。本文采用电流追踪型控制方法，设计了以高性能的DSP芯片TMS320F240为的数字控制系统，并进行了小功率的实验。，通过实验证明该控制系统具有控制灵活，高，同时动态响应好，所受干扰小等优点。