1 引言

PWM整流器是應用脈寬調制技術發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管的通斷狀態，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接近于1。本文采用TI公司的TMS320F240DSP對整流器實現數字控制，這一方法相對于模擬控制具有以下優點：

1）控制靈活在數字控制系統中，主要利用軟件算法實現控制方案，相比于模擬控制較靈活；

2）可靠性高微機系統由于采用元器件較少，信號全部采用數字處理，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，故容易實現故障診斷；

4）參數設定簡便可以使系統的調試工作變得很方便。

基于以上考慮，本文采用了以DSP為核心的數字控制系統實現對整流器的控制。

2 TMS320F240的主要特點

TMS320F240是一款專門為電機控制而設計的DSP，因而，它不僅具有普通數字信號處理器的高速運算功能——20MIPS的處理能力，而且片內還集成了豐富的外設功能模塊：雙10位A/D轉換器，28個可獨立編程的多路復用I/O引腳，帶有鎖相環的時鐘模塊，帶中斷的看門狗定時器模塊等。特別是F240片內設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，這一外設裝置大大簡化了用于產生同步脈寬調制PWM波形的控制軟件和外部硬件，只需很少的CPU干預即可產生所需的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構，如圖1所示。

圖中uN（t）是輸入的電網正弦波電壓，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）是從電網輸入PWM整流器的電流，S1～S4是開關管，D1～D4是整流二極管。通過對四個開關管進行合適的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調節器，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節器，輸出值再加上輸入電壓補償信號〔uT（t）〕后與三角載波進行比較，產生的調制波用于開關管的觸發信號。這樣，電流誤差放大器的輸出直接控制了PWM調制器的占空比，強迫實際輸入電流逼近參考電流的值。這種控制方法具有開關頻率固定，產生的噪聲小，開關損耗也較小，而且系統的動態性能也較好。

4 控制系統的硬件設計

針對以上的控制方案，本文設計了以TMS320F240為核心的數字控制系統，硬件框圖如圖3所示。從圖中可以看到，控制系統主要包括以下幾部分：CPU及其外圍電路，信號檢測與調理電路，驅動電路和保護電路。其中，信號檢測與調理單元主要完成強弱電隔離，電平轉換和信號放大及濾波等功能，以滿足DSP控制系統對各路信號電平范圍和信號質量的要求。

電流檢測與調理單元電路如圖4所示。電流傳感器輸出電流信號經測量電阻RM轉換為電壓信號后，由運算放大器U8構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。運放U9構成電平極性轉換級，把雙極性信號按比例轉換成單極性信號。單極性0～＋5V信號是DSPA/D轉換所要求的，＋5V電源由LM336構成的基準電源供給。由RC構成的簡單低通濾波器，來濾除交流輸入電流的開關頻率次諧波，兩個二極管為鉗位二極管。

直流輸出電壓檢測與調理單元是直流側電壓閉環的前端傳感器，目的是測量直流側電容電壓，由于電容電壓含有一定的紋波，故需引入濾波環節，電路原理如圖5所示。

交流輸入電壓信號作為同步信號，由于從電網輸入的電壓信號往往不是純正弦波，為此，必須對其進行濾波才能準確檢測電網輸入電壓的相位，濾波器包括低通濾波器、高通濾波器兩部分。運放U11A及外圍阻容網絡組成二階低通濾波器。該低通濾波器可以濾去電網輸入信號中的高次諧波，使波形得到改善，但是又使相位產生了滯后，因此又引入高通濾波器進行補償。U11B及其外圍阻容網絡組成二階高通濾波器。從電路中可以看出，該高通、低通濾波器拓撲結構完全相同，而且阻容對稱分布，只要各個參數選擇適當，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，結果經兩次濾波后，不但濾去了諧波，波形接近正弦，而且沒有相位移。濾波以后再經過過零回差電路，得出與電網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換成對應的直流值。

CPU及其外圍電路主要有時鐘電路，復位電路等。此外，為了調試的方便，本系統還擴展了一片16位RAM芯片來作為程序存儲器。驅動電路起到提高脈沖的驅動能力和隔離的作用。保護邏輯電路則保證當發生故障時，系統能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號。

5 控制系統的軟件設計

本文中的控制系統軟件主要包括以下幾部分：

1）主程序主要完成系統的初始化和對系統中各個輸入量的循環檢測；

2）電流處理子程序主要完成控制系統中電流控制環的數據處理；

3）電壓處理子程序主要完成控制系統中電壓控制環的數據處理；

4）同步中斷子程序以同步信號為中斷源，置同步標志，使整個控制系統的軟件運行節奏與電網電壓保持一致；

5）定時器中斷子程序這是整個程序中最核心的部分，根據各部分運算結果生成所需的PWM波。

軟件流程圖如圖8、9、10所示。

6 實驗結果

采用上述的方案，本文在實驗室中搭建了一個小功率的實驗裝置，其各部分參數如下：

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接近為1。本文采用電流追蹤型控制方法，設計了以高性能的DSP芯片TMS320F240為核心的數字控制系統，并進行了小功率的實驗。最后，通過實驗證明該控制系統具有控制靈活，精度高，同時動態響應好，所受干擾小等優點。

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