高功率因數(shù)PWM整流器的控制設(shè)計(jì)方案解析

摘要：PWM整流器是一種高功率因數(shù)的電源變流器。采用了電流追蹤型控制方式對PWM整流器進(jìn)行控制，并且設(shè)計(jì)了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的全數(shù)字控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)具有控制靈活，精度高，動態(tài)響應(yīng)好，所受干擾小等優(yōu)點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；電流追蹤；脈寬調(diào)制整流器
　　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。
　　2 TMS320F240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個可獨(dú)立編程的多路復(fù)用I/O引腳，帶有鎖相環(huán)的時鐘模塊，帶中斷的看門狗定時器模塊等。特別是F240片內(nèi)設(shè)置了一個事件管理器，可以提供12路比較/PWM通道，3個具有死區(qū)功能的全比較單元，3個單比較單元，3個16位通用定時器等，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PWM輸出的裝置，如三相電機(jī)和整流器。
　　3 PWM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1 單相全橋主電路結(jié)構(gòu)
　　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。
　　
　　圖2 控制電路框圖
　　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。