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用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制 摘要：PWM整流器是一种高功率因数的电源变流器。采用了电流追踪型控制方式对PWM整流器进行控制，并且设计了以高性能的DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制系统。实验证明，该控制系统具有控制灵活，精度高，动态响应好，所受干扰小等优点。
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vwin 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为核心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，如图1所示。
图1 单相全桥主电路结构 图中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,控制框图如图2所示。
图2 控制电路框图 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为核心的数字控制系统，硬件框图如图3所示。从图中可以看到，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。
图3 数字控制系统框图 电流检测与调理单元电路如图4所示。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。
图4 电流检测与调理单元电路原理图 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，电路原理如5所示。
图5 直流输出电压检测与调理单元电路原理图 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,电路如图6所示。
图6 交流输入电压信号的滤波与同步 另外，对输入电压值检测的不是电压瞬时值而是有效值，因而采用了图7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。
图7 电压信号转换成对应的直流值电路原理 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 这是整个程序中最核心的部分，根据各部分运算结果生成所需的PWM波。 软件流程图如图8、9、10所示。
图8 主程序流程图
图9 同步中断子程序
图10 电流、电压处理子程序 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 各部分波形如图11、12所示。
图11 交流输入电压及电流波形
图12 输出直流电压和输入电流波形 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为核心的数字控制系统，并进行了小功率的实验。最后，通过实验证明该控制系统具有控制灵活，精度高，同时动态响应好，所受干扰小等优点。 |
用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制
- PWM整流器(15670)
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基于BCM的有源功率因数校正电路的实现
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摘要：分析整流电路的拓扑结构和工作模式，探讨该整流电路关键参数的选取依据，提出临界导电模式(BCM)功率因数校正Boost开关
2010-03-13 10:50:222388
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三相电流型PWM整流器的功率因数控制新策略
提出了三相电流型PWM整流器的一种新型实用的功率因数控制方法。该功率因数控制只需要检 测电源电压和电源电流的相角，因此控制系统对系统参数不敏感。不同于传统的控制方法，将电源电压与电 源电流的相角差通过PI调节器直接控制调制函数的相角；同时将直流侧
2011-03-14 09:39:1769
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能量回馈式PWM整流器并网设计
论述了能量回馈式 PWM整流器 并网时的同步电流PI 控制技术，提出改善馈网电流质量的几种关键的工程设计方法，包括软件滤波、防积分饱和PI 控制、简单死区补偿和单位功率因数控制
2011-08-30 15:10:2953
53三电平PWM整流器双闭环控制系统的研究
在三电平PWM整流器数学建模的基础上，通过电流电压的双闭环控制，达到了有功无功解耦控制的效果，实现了网侧单位功率因数
2011-09-23 19:23:092668
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基于DSP控制的电压型PWM整流器
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。
2012-03-23 11:07:53158
158固定开关频率三电平PWM整流器直接功率控制
提出了一种固定开关频率的三电平PWM整流器的直接功率控制方法。该方法基于空间电压矢量调制，实现了动态过程中有功功率和无功功率的解耦控制。
2012-03-29 11:19:3856
56PWM整流器及其控制_张崇巍
本书以电压型PWM整流器为主，兼顾电流型PWM整流器，对PWM整流器的基本原理、数学建模、特性分析、控制策略和系统设计等进行了系统阐述，同时结合现代控制理论对PWM整流器在若干领
2012-04-27 15:38:110
0电流型PWM整流器的控制器设计
电流型PWM整流器因其良好的功率因数和直流电流源特性，可望在某些场合取代产生大量谐波的二极管或晶闸管相控整流装置，但是由于其本身的强耦合非线性特性，使得变流器常采用复
2013-06-25 17:24:1872
72基于MATLAB的单相全控整流电路功率因数测定_崔士杰
功率因数校正技术.
介绍了单相全控整流电路移相控制方法的实现 并详细地讲解了功率因数的测量原理 同时给出了利用MAT LAB 的Simulink 工具实现单相全控整流电路的功率因数测定的具体方法和仿真模型 最后给出了在不同移相控制角下所得到的功率因数测量结果
2016-11-05 17:55:006
6PWM整流电路的原理及控制
电路进行控制，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，则功率因数近似为1。因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器。
2017-05-31 17:09:2030235
30235基于三相电流型自然采样SPWM整流器的应用
随着全控型变流技术的不断发展和应用领域的不断拓宽，具有高功率因数的PWM整流器在工业领域中逐渐得到普遍重视。在目前的PWM调制方法中，自然采样SPWM具有控制灵活、输出脉冲波形好、谐波含量低等优点
2017-08-31 15:11:037
7基于DSP的PWM整流技术方案分析
污染严重，且网侧功率因数低。PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面的改进。 TMS320LF2407具有快速的数据处理能力和丰富的硬件资源，作为控制芯片可以提高系统的实时响应能力和控制精度，已经被广泛应用于电气自动化控制的各
2017-10-24 10:30:402
2基于DSP的PWM整流器系统设计与应用
严重，且网侧功率因数低。PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面的改进。 TMS320LF2407具有快速的数据处理能力和丰富的硬件资源，作为控制芯片可以提高系统的实时响应能力和控制精度，已经被广泛应用于电气自动化控制的各个领
2017-10-26 15:29:2716
16高功率因数PWM整流器的控制设计方案解析
摘要：PWM整流器是一种高功率因数的电源变流器。采用了电流追踪型控制方式对PWM整流器进行控制，并且设计了以高性能的DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制系统。实验证明，该控制系统具有控制
2017-10-31 11:12:591
1三相电压型PWM整流器动态性能
三相PWM整流器以其控制简单、功率因数可控、电路结构简单、能量双向流动、输入电流谐波含量低等优点，在各类电力电子应用领域得到了广泛的应用，更受到对设备要求苛刻的航空和船舶领域的青睐，本文以船舶电力
2018-03-14 15:10:1011
11FPID控制VIENNA整流器
电力电子设备在工业、生活之中的广泛应用，给电网造成了严重的谐波污染和无功损耗，研究具有高功率因数和低谐波含量的PWM整流器已是目前电力电子行业的一个热点方向。三相PWM整流器通常应用于高电压大功率
2018-03-22 16:05:566
6整流器的三步和六步PWM性能有什么区别
本文提出了一种三相六开关boost-PFC整流器的三步PWM控制方法。结果表明，与传统的六步PWM相比，三步PWM具有较低的输入电流谐波畸变率和较高的功率因数。然而，与六步pwm不同，三步pwm受到占空比限制的不利影响，并且具有三相整流桥上下开关的不平衡导通损耗。
2019-12-03 11:49:0012
12B00st功率因数校正器的拓扑分类和PWM整流器的控制策略进详细分析
PFC技术是电力电子技术的重要组成部分，已经在越来越多的领域得到应用。采用PwM控制方式的整流器，能得到较好的单位功率因数，减少线电流畸变，实现能量的双向传输，是实现电力电子装置功率因数校正
2020-08-18 08:00:0012
12怎么样使用SVPWM实现航空高功率因数整流器的设计
为了消除电网谐波污染、提高整流器的功率因数,对具有输出电压稳定、能够获得单位功率因数特点的三相电压型PWM整流器的控制策略进行了研究。介绍了空间失量PWM( SVPWM)控制技术,并将该技术应用于
2020-11-04 17:17:289
9高频开关整流器的功率因数补充，多次谐波电流构成
与电压的相位差的全改，即PF=coso，这种由于电流与电压相位差产生的功率因数称为相移功率因数PF.。高频开关整流器的功率因数补偿当交流电源为线性负载供电时，决定线
2023-04-06 10:49:30697
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工商网监
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