基于DSP的单相斩控式交流调压器的设计

唐小强 皇金锋 董锋斌

（陕西理工学院电气工程系，陕西 汉中 723003）

1 引言

斩控调压和相控调压相比优点在于：斩控式交流调压是连续调节方式，其输入电流、输出电压谐波及其对电网和升压变压器的影响较相控方式小得多。对它的输入电流、输出电压的波形分析表明，除基波外，还含有频率在开关频率及其整数倍；两侧处分布的谐波。当开关频率足够高时，只要引入极小尺寸的输入、输出滤波器，即可将输入电流、输出电压中的谐波完全滤除，电源侧的功率因数总是与负载侧相同。因此，采用斩控式交流调压电路可使装置体积减小，功率因数提高[1-2]。而且斩控式交流调压采用全控型器件，可大大改善系统动态响应特性。

本文以单相斩波交流调压器为研究对象，分析了斩控式调压电路的工作原理，并以TMS320F2812为控制器，设计出单相斩波调压器闭环自动控制系统。

2 主电路的拓扑结构及工作原理

图1所示为单相斩波交流调压电路拓扑结构。图中V1、VD1、V2和VD2构成双向斩波开关，VF1和VDF1、VF2和VDF2构成双向续流开关，在实际电路中，双向开关由采用带有反并联二极管的单IGBT功率模块反相串联组成。

该拓扑结构采用带电流检测的非互补控制方式，开关模式由电压极性决定，避免了调压器中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相过电压。主开关缓冲电路经优化设计后，可保证主开关开通电流小于1.5倍通态电流，改善开关过程电压、电流变化轨迹，大大减小器件开关损耗。对输出电压波形的傅里叶分析结果表明，除基波以外还含有其他谐波，谐波频率在开关频率及其整数倍两侧分布，开关频率越高，越容易滤除。经优化设计的滤波器滤波后，可认为输出电压仅含有基波[3]。

图1 单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路

3 单相斩控式交流调压器的系统设计

3.1 系统结构框图

斩控式交流调压器包括主电路和控制电路两部分。图2为其基本结构框图，主电路部分包括斩波用的双向电力电子开关和输入滤波环节。控制电路由电压采集、控制信号和信号驱动3部分组成。其中控制信号由DSP来完成。电路工作时，将采集到的负载电压求其有效值并进行A/D转换，与设定值比较，进行PI调节计算出占空比D。占空比D连同输入电压信息加于脉冲形成电路；驱动电路把来自脉冲形成电路的脉冲信号进行放大、整形，使其满足电力电子开关器件的要求，其输出加在电力电子器件的控制端。

图2 斩波式交流调压框图

3.2 硬件电路设计

单相斩波式交流调压器的硬件电路如图 3所示。硬件电路主要有过零检测、主电路、检测采样电路三部分组成。主电路拓扑结构在前面已经做了详细的说明，不再赘述，以下简要说明其他两部分电路。

图3 单相斩波式交流调压器的硬件电路

（1）过零检测电路

交流调压的一个关键就是过零检测，如果过零检测不好，可能导致正弦波上下半波不对称，这样就失去了交流调压的意义。一般来做交流的过流检测有两种方法，即A/D转换检测和光耦检测。在本次设计中，用光耦来对交流电零点进行检测，这种方法简单，易操作，也可以做到上下半波很对称。过零检测电路如图4所示。

（2）采样电路

1）电压检测

根据反馈控制规律，要形成闭环控制系统，必须有反馈回路。此系统控制的是斩控交流负载端电压，因而有交流电压检测环节。电压检测电路为图5。其中R3为互感器初级分压限流电阻，电压互感器选用GPT-202B。

图4 过零检测电路

图5 电压检测

2）采样调理电路

数字控制部分只能识别正的电压信号，而电压检测的信号是交流的，所以要通过调理电路把采样的信号转换为DSP能够识别的信号。TMS320F2812片内 A/D采样的输入电平范围为 0～3V，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0～3V以内的信号。采样调理电路如图6所示，将检测到的电压信号经整流桥，最后经过电位器分压，形成 0～3V的交流电压送到DSP。同时在输出端接一个3V限幅电路，从防止烧坏DSP。

图6 采样调理电路

3.3 系统软件设计

系统软件设计分为 PWM信号产生程序，A/D转换中断服务子程序。

（1）主程序设计

主程序由系统初始化子程序，PWM产生子程序，A/D电压反馈子程序，PI运算子程序等中断服务子程序构成。

（2）A/D转换中断服务子程序

实验用事件管理器EVA来启动A/D中断服务字程序，采样周期100us。

（3）数字PI调节器算法

输入时误差函数为e(t)，输出函数为u(t)时，PI调节器的传递函数为

只要在计算机中多保存上一拍的输出值即可。

4 实验结果分析

实验交流变换器输出电压设定为 55V，负载是阻性负载，阻值80Ω，开关频率为10kHz，电压检测回路滤波电容C1为1uF。经参数整定后，系统具有良好的稳态性能和动态性能，调压范围宽，输出波形平滑，对电网的谐波污染小。图7为未经电容滤波的负载电压。图8为滤波后的负载电压。

图7 负载电压

图8 经滤波后的负载电压

5 结论

本文采用单管反串联双向电子开关斩波式交流调压拓扑电路，利用光耦隔离器来检测电压过零，方法简单，实用。以TMS320F2812为核心控制器件，采用用PI控制算法实现系统的完全数字控制，用软件编程的方法产生IGBT的控制信号。系统优点是体积小巧，性能稳定。系统具有良好的稳态性能和动态性能，调压范围宽，输出波形平滑，对电网的谐波污染小。

[1] 洪乃刚.电力电子技术基础[M].北京:清华大学出版社,2008.1:183-189.

[2] 王兆安.电力电子技术[M].第四版.北京:机械工业出版社,2000.

[3] 毛行奎,张文雄.交流斩波控制调压技术探讨[J].机床电器,2004(2):50-53.

[4] 于海生.微型计算机控制技术[M]. 北京:清华大学出版社,1999.3:91-95.