基于TMS320F 28335的单相PWM整流器研究

胡学芝

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院,湖北 黄石 435003)



基于TMS320F 28335的单相PWM整流器研究

胡学芝

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院,湖北 黄石 435003)

摘要：分析单相电压型PWM整流器的工作原理并建立了数学模型，介绍了基于电压外环、电流内环的控制方式。为提高系统的鲁棒性及静态精度，系统电压环和电流环都采取PI控制模式，电流内环采用大比例系数的PI调节器，搭建了以TMS320F28335为主要控制芯片的单相电压型PWM整流器平台，给出了其硬件组成，并进行软件设计，最后对搭接的实验系统进行实验，给出了部分实验结果，结果证明该系统可行，控制效果良好。

关键词：TMS320F28335;PI控制器;PWM整流器;功率因数

传统整流器无论是采用二极管不控整流模式或SCR相控整流模式，都会产生大量的谐波和无功功率，污染电网，而PWM整流器可以控制网侧交流电流为畸变很小的正弦波电流，实现单位功率因数、能量双向传输。因其具有体积小、重量轻、动态响应速度较传统整流器有显著提高等优点而得到高度重视，特别是它能进行双向能量流动，在有源电力滤波、静态无功控制、统一电能质量调节和电力电子负载等方面得到广泛应用[1]。目前，关于PWM整流器的研究热点主要集中在实用性和进一步提高动态性能的智能化控制方案实现等方面。

PWM整流器按电源相数可分为单相、三相和多相电路；按是否具有能量回馈功能，可分为无能量回馈功能和有能量回馈功能；按直流侧的储能形式不同可将PWM整流器分为电压型和电流型；按控制方式分，可分为直接电流控制和间接电流控制2种等[2]。目前三相PWM整流器的研究多于单相PWM整流器的研究。本文分析了单相电压型PWM整流器的工作原理，对系统进行了建模与仿真研究，阐述了单相电压型PWM整流器的控制策略，设计了电流内环、电压外环控制的单相电压型PWM整流器。为了提高其动态性能指标和稳态时电流波形精度，电压外环采用PI调节模式，电流内环应用大比例系数的PI调节器，这样内环可按最佳的典Ⅰ方案设计以保证其动态响应快、稳态精度高。数字控制以其诸多的优点正逐步取代模拟控制，与数字化对应，各种离散控制方法也纷纷涌现，有力地推动着逆变电源控制技术的发展。以TMS320F28335为主要控制芯片设计了单相电压型PWM整流器，对其数字实现进行了软硬件设计，最后对搭接的实验系统进行了实验，给出了部分实验结果，结果证明该系统可行，控制效果良好。

1单相PWM整流器工作原理及数学模型

单相电压型PWM整流器电路结构原理图[3]如图1所示。

图1中T1～T4为开关器件IGBT，D1～D4为续流二极管，Ls为输入滤波电感，RS为滤波电感等效电阻，Cdc为直流侧滤波电容，RL为负载电阻，Us为电网电压,is为电感电流，Udc为直流电压，当单相PWM整流器直流电容Cdc足够大时其直流侧电压Udc可近似为一定值，根据图1各电量的参考方向可得方程：

us=umsinωt

(1)

(2)

uab=Udcρ

(3)

(4)

us(t)≈u(kTs)=umsinωkTs,kTs≤t≤(k+1)Ts

(5)

(6)

(7)

本设计的单相PWM整流器采用单极性调制方式[4]，将应用规则采样法得到数字化的指令波形ur与三角载波u△进行调制，得到各开关管的驱动波形uT1～uT2；采用单极性调制方式，在电网电压us的正半周，整流器交流侧电压uab在Udc与0之间切换，而在电网电压us的负半周，uab在0与-Udc之间切换。

直流侧电压Udc在第k个开关周期中脉动波形如图2所示。

直流电压脉动量为：

(8)

式(8)中：ρk为第k个开关周期的占空比。由式(8)可知，Cdc大时，直流电压脉动小。

2单相PWM整流器控制策略

PWM整流器的控制目标是输出直流侧电压稳定，输入电流为畸变很小的正弦波且功率因数可控。为达到满意的控制效果，常用的控制策略有电压外环带电流内环的双闭环控制，内环的控制目的是使输入电流呈正弦量，且保证与电压同步，能达到单位功率因数；外环为电压控制环，其控制目的是保证直流侧电压恒定，抗干扰能力强，纹波小，且维持输入、输出两侧功率平衡[5]。基于双环控制的PWM整流器基本控制框图如图3所示，图3中usc为与电网电压同步的正弦信号，电压外环采用PI调节器，以保证整流器输出稳定的直流电压及静态精度；其工作过程是通过调节系统输出的直流电压，改变输入的交流电流is以达到正弦化，要求电流环有较宽的频带，为此电流内环采用大比例系数的PI调节器，以实现可调的高功率因数和高精度的正弦波电流。

内环电流环的结构如图4所示，图4中kPWM为PWM电路等效增益，对电流环按典Ⅰ最佳参数设计，在高开关频率下等效化简为1阶环节,其传函为：

(9)

电压环结构图如图5所示，其中si为开关函数，对电压环按3阶最佳设计，得到最后的传函为：

(10)

其参数选取为：

T∑v=τv+3TS

(11)

Tv=4T∑v

(12)

(13)

3硬件电路组成

3.1TMS320F28335芯片介绍

TMS320F28335芯片是TI公司推出的32位浮点DSP控制器，其特点是精度高、功耗小、外设集成度高、数据存储量大、A/D转换精确且速度高、价格低，具有很高的性价比。其外部采用3.3 V供电，内部1.9 V供电，18路PWM输出，16通道的12位A/D转换器，与F2812相比，Flash也增加了1倍，主频高达150 MHz，处理速度快，实时处理能力强，应用于参数辨识等需要大量运算的电力电子及电机实时控制系统中；在F82335中是使用EPWM模块产生PWM信号输出给开关管的驱动电路，使用软件生成SPWM信号很方便，通过DBFED和DBRED设置死区单元，避免了上下开关管直通。MS320F28335自带ADC模块，使系统结构更简单，抗干扰能力更强。

3.2系统硬件结构

以TMS320F28335 DSP为核心控制芯片的单相PWM整流器数字化硬件电路结构图如图6所示。硬件电路主要由输入电压检测、输入电流相位和幅值检测、输出电压检测、驱动和保护电路等组成。电流、电压检测采用霍尔传感器，经过适当的信号转变后输入到DSP的A/D端，驱动电路采用EXB841。保护电路采用1片GAL芯片，当系统发生过压、过流时，对EXB841故障信号进行锁存，保护信号封锁驱动信号的输出，这种硬件封锁方式保证了系统对故障响应的快速性和可靠性。

4实验结果及结论

基于TMS320F28335组成的单相电压型PWM整流器实验数据为：输入交流相电压220 V，输出直流电压450 V，开关频率20 kHz，输入电感5 mH, 直流侧电容4 800 μF。其中：电压环比例系数kv取值为1.5；电流环比例系数ki取值为106。 整流输出电压实验波形如图7所示，由图7可见直流电压稳定，纹波小。单位功率因数时输入电压和电流实验波形如图8所示，交流侧电流谐波分析图如图9所示，其THD=1.20%，由实验结果可见实现了单位功率因数，波形质量好，谐波小，电流波形畸变率低。

本文研究了基于TMS320F28335的单相电压型PWM整流器的数字化实现，提出了电压外环、电流内环的PI调节器的控制结构，本控制模式可以很好地对交流侧电流进行控制，稳定地跟踪指令值，电流波形质量好，输出直流电压稳定、纹波小。实验结果表明本控制模式实用、简单、控制效果良好，具有较好的应用前景。

参 考 文 献

[1]陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社,2002:208-215.

[2]张纯江,王英，赵清林，等.基于DSP的三相电压型PWM整流器控制系统设计[J].电力电子技术，2002,36(6)：45-47.

[3]周小杰,汪飞.单相电压型PWM整流器预测直接功率控制[J].电力电子技术，2014,48(1)：24-26.

[4]王成智,邹云屏，贾凯，等.基于SPWM调制的单相大功率整流器研究[J].电力电子技术，2008,42(1)：69-71.

[5]熊健,张凯，康勇，等.空间矢量脉宽调制的调制波分析[J].电气自动化，2002,24(3)：7-11.

(责任编辑吴鸿霞)

Research on Single Phase PWM Rectifier Based on TMS320F 28335

HuXuezhi

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Abstract：The paper analyzes the working principle of single phase voltage PWM rectifier,establishes its mathematical model and introduces the control method based on the outer loop voltage and inner current loop.In order to improve the robustness and static accuracy of the system,system voltage loop and current loop both adopt PI control mode and current inter-loop uses PI regulator with large proportion coefficient,a single-phase voltage PWM rectifier platform has been constructed taking TMS320F28335 as main control chip control.The hardware composition is given and the software is designed,Finally the experiment system is tested and part of the experimental results are given.The results show that the system is feasible and the control effect is good.

Key words：TMS320F28335;PI controller;PWM rectifier;power factor

中图分类号：TM461

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)02-0001-004

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.02.001

作者简介：胡学芝，教授，硕士，研究方向：电力电子技术。

收稿日期：2016-02-14