基于DSP控制的电压型PWM整流器

摘要 根据PWM整流电路的工作原理，分析了PWM整流控制方式，采用滞环电流控制方式，以TMS320F2812为控制器组建了电压型PWM整流器双闭环自动控制系统。实验结果表明，该系统具有良好的静态、动态性能。为设计PWM整流器提供了一定的理论依据。
关键词 PWM整流；滞环电流控制；DSP

    工业中的变流器大多需要整流环节，以获得直流电压。常规的整流环节一般采用二极管布控整流或晶闸管相控整流，虽然电路简单、经济可靠，但存在以下问题：网侧电流波形严重畸变，造成功率因数低，最高功率因数约为0．8；大量无功功率的消耗会给电网带来额外负担，不仅增加了输电线路的损耗，而且严重影响了供电质量；输入电流中含有丰富的低次谐波电流，带来电网污染。而应用MOSFET、IGBT等全控器件、采用PWM整流技术，可以使网侧电流正弦化，变流器可运行于单位功率因数，能量可以双向流动，真正实现绿色电能转换。因此，对其进行研究将会促进新型整流技术的快速发展。文中以三相电压型PWM整流器为研究对象，以TMS320F2812为控制器，组建PWM整流器双闭环自动控制系统，对其进行分析研究。

1 控制方法分析
1．1 PWM整流控制方式
    不断发展的PWM整流器有许多种控制方法，就电压型PWM整流器的控制方式而言，主要分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制是指通过控制整流器输入端电压，使其与电源电压保持一定的幅值相位关系，从而控制交流侧输入电流呈正弦波形，使装置运行在单位功率因数状态。直接电流控制通常在控制系统中引入实际的交流输入电流的反馈信号，将其与给定信号比较，通过对其误差的调节来控制器件的通断，使得在一定误差范围内，保证实际电流与给定信号的一致，形成电压外环和电流内环的双闭环结构。
    由于幅相控制策略动态性能不好，电流调整能力不强，计算模块依赖参数精确性，稳态性能有偏差。而直接电流控制系统的稳态、动态性能好，因此得到了广泛应用，其主要分为滞环电流控制、预测电流控制、定频PWM控制等。其中，滞环PWM电流控制，能加速电流的响应，并能对电压外环控制的对象起改造作用，从而改善电压外环的性能。
1．2 PWM滞环电流控制方式
    滞环电流控制是通过反馈电流if与给定电流ir进行滞环比较，将两者的偏差限制在设定的范围内，当反馈电流ifir-0．5ih时，调制电路的输出使系统输入侧电流is减小。这样不断进行滞环比较调节，使is始终跟踪给定电流ir，围绕给定电流波形作锯齿状变化，并将误差限制在滞环宽度范围内。若给定电流波形为正弦，滞环宽度ih恒定，则is的波形就会接近于正弦。
    滞环PWM电流控制结构中无传统的电流调节器，而是一个非线性的滞环环节。当电流偏差超越滞环宽度时，主电路功率开关管切换，迫使电流偏差减小，是一种典型的非线性控制。

2 三相电压型PWM整流器系统
2．1 系统结构框图
    按照三相电压型PWM整流器的工作原理组建了双闭环自动控制系统如图1所示，控制器采用TMS320F2812。

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2．2 系统主电路
    系统主电路如图2所示。6个全控型器件由3个型号为SMK 100 GB 121 D的模块组成，电感Is=5mH，C=2 200 μF，R=25 Ω，三相交流电压为70V。驱动电路采用三菱公司生产的驱动模块M57962L，其内部具有退饱和检测和保护环节。

2．3 电流电压检测
    采取控制回路和主回路的隔离，保证系统的稳定。对直流电压反馈采样时，用线性光耦LOC110进行隔离，直流电压检测调理电路为图3所示。数字控制部分只能识别正的电压信号，而采样的交流电压和交流电流信号是交流的，既有正半周又有负半周，要通过调理电路把采样的信号转换为DSP能够全部识别的信号。TMS320F2812片内A／D采样的输入电平范围为0～3 V，因此需要通过模拟采样调理模块，将采集信号经过适当的变换，得到DSP可以处理的0～3 V以内的信号。交流采样调理电路如图4所示，对传感器的输出电压进行隔离采样，将采样到的电压信号经运算放大器变换到-1．5～+1．5 V的电压区间内，最后再加上1．5 V的电压偏移量形成0～3 V的交流电压送到DSP。[!--empirenews.page--]

2．4 软件流程图
    PWM整流采用滞环电流控制，电压调节器选用PI调节，其软件流程如图5所示。

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3 实验结果分析
    为验证控制方式和控制策略的正确性，以TI公司的TMS320F2812 EVM板为控制器，组建了三相电压型PWM整流器控制系统，实验系统框图如图1所示。实验参数IS=5 mH，C=2 200μF，R=25 Ω，三相交流电压为70 V，电压反馈系数为α=0．01。整流输出额定电压为160 V，阻性负载功率为1 kw。稳态时电源电压和电流波形如图6所示，系统阶跃响应和负载跳变时输出电压的实验波形如图7所示。从实验波形可以看出：输入电流接近正弦，且和输入电压几乎同相位，系统具有良好的静态、动态性能。

4 结束语
    文中采用PWM滞环电流控制，组建了一台1 kW的PWM整流电源。实验结果表明该系统具有较高的功率因数，输入电流接近正弦，对电网的谐波污染少，系统具有较好的稳态和动态性能。