胡春龍

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)是實(shí)現(xiàn)電力電子電能變換的重要技術(shù)，對(duì)提高電能質(zhì)量、改善功率器件性能和促進(jìn)電力電子技術(shù)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，它是依靠微控制器連續(xù)的數(shù)字信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件模擬電路控制的調(diào)制方式。其中正弦脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal PWM，SPWM)在PWM調(diào)制中應(yīng)用最為廣泛，尤其是在電力電子整流器、逆變器、開關(guān)電源等領(lǐng)域有著重要的作用[1-2]。整流器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性主要取決于控制方法的先進(jìn)性和調(diào)理電路設(shè)計(jì)的合理性，SPWM相對(duì)于其他采樣方法在整流器控制過(guò)程中，可以產(chǎn)生較少的諧波量、提高功率因數(shù)[3-4]。文中通過(guò)DSP設(shè)計(jì)了整流器電壓、電流調(diào)理電路并對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行計(jì)算得到輸入輸出關(guān)系，在程序里面對(duì)采樣到信號(hào)反變換得到雙極性下的正弦值與載波比較后做SPWM處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器功率器件的調(diào)制。

1 整流器的結(jié)構(gòu)模型

文中選用三相全控電壓型PWM整流器為控制對(duì)象，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，左半部分為交流電網(wǎng)側(cè)，ua、ub、uc為三相對(duì)稱交流電源，ia、ib、ic為三相對(duì)稱電流，O為電源中性點(diǎn)，L為網(wǎng)側(cè)交流電感，R為線路等效電阻；右半部分為整流器直流輸出端，其中S1～S6為由功率開關(guān)管IGBT組成的整流橋六個(gè)橋臂，C為直流側(cè)濾波電容，Udc為整流直流電壓，RL為輸出負(fù)載，iL為負(fù)載電流[5-6]。

圖1 三相PWM整流橋主電路結(jié)構(gòu)

功率開關(guān)管S1～S6的不同開關(guān)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)著整流器不同的輸出狀態(tài)，這樣直流側(cè)輸出電壓便可通過(guò)對(duì)6個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于上下對(duì)稱的一組橋臂，規(guī)定狀態(tài)“1”為上橋臂導(dǎo)通、下橋臂斷開，可用Sk(k=1,2,3)=1分別表示三相橋臂的“1”狀態(tài)；規(guī)定狀態(tài)“0”為上橋臂斷開、下橋臂導(dǎo)通，可用Sk(k=1,2,3)=0分別表示三相橋臂的“0”狀態(tài)[7]。

2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 交流電壓調(diào)理電路

圖2所示為交流電壓調(diào)理電路。下面對(duì)其輸入輸出傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 交流電壓調(diào)理電路

對(duì)于U9A輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

(1)

(2)

由式(1)、式(2)變換可得：

(3)

對(duì)于U9B輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

(4)

(5)

由式(4)、式(5)變換可得：

(6)

在式(6)中將調(diào)理電路中的參數(shù)值代入后得：

uo=0.8(uACU-uN)+0.5Vref

(7)

由式(7)電壓輸入輸出函數(shù)關(guān)系可知，從DSP的AD采樣端子輸入合適范圍的值(Vref參考電壓值為3V，AD采樣端子輸入電壓范圍為-1.875～1.875 V)，可在DSP端得到0～3 V采樣電壓。再在DSP程序中對(duì)采樣到的電壓信號(hào)進(jìn)行反變換，得到雙極性下的正弦值，最后與載波信號(hào)比較做SPWM處理[8]。

2.2 交流電流調(diào)理電路

圖3所示為交流電流調(diào)理電路。下面對(duì)其輸入輸出傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖3 交流電流調(diào)理電路

對(duì)于U7A輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

u3+=u2-=iACI·R34

(8)

(9)

對(duì)于U7B輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

(10)

由式(8)～式(10)變換后可得：

(11)

在式(11)中將調(diào)理電路中的參數(shù)值代入后得：

uo=10.92iACI+0.5Vref

(12)

從式(12)可知，電流傳感器輸出的電流信號(hào)應(yīng)在一定的范圍內(nèi)才能進(jìn)行調(diào)制，將輸入的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放調(diào)理后，變?yōu)檩斎氲紻SP的0～3 V電壓信號(hào)(參考電壓Vref為3 V，輸入電流范圍為-137.36～137.36 mA，)，最后進(jìn)行反變換后做SPWM處理。

2.3 直流電壓調(diào)理電路

下圖4所示為直流電壓調(diào)理電路。下面對(duì)其輸入輸出傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖4 直流電壓調(diào)理電路

對(duì)于U14_1A輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系：

(13)

(14)

對(duì)于U14_1B輸入輸出函數(shù)關(guān)系為：

uo7=u6-=u5+=uo1

(15)

對(duì)式(13)～式(15)整理后得直流電壓調(diào)理電路輸入輸出關(guān)系為：

(16)

在式(16)中將調(diào)理電路中的參數(shù)值代入后得：

uo1=1.8(uDC1-uDCN1)

(17)

從式(17)可知，電壓傳感器輸出的電壓信號(hào)應(yīng)在一定的范圍內(nèi)才能進(jìn)行采樣，將采樣到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放調(diào)理后，變?yōu)檩斎氲紻SP的0～3 V電壓信號(hào)(參考電壓Vref為3 V，輸入電壓范圍為0～1.67 V)。

3 SPWM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)原理

采用規(guī)則采樣法，根據(jù)載波與正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系，在DSP事件管理器EV中推算出比較寄存器CMPR、周期寄存器T1PR和采樣時(shí)刻正弦函數(shù)值之間的關(guān)系。通過(guò)每次在不同的時(shí)刻采樣到不同的正弦函數(shù)值來(lái)實(shí)時(shí)改變比較寄存器CMPR的值，從而改變了脈沖信號(hào)占空比，調(diào)制波下對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)采樣值由算法公式直接求取[9]。

AD采樣通過(guò)DSP事件管理器EVA中的周期中斷T1進(jìn)行啟動(dòng)，對(duì)AD通道ADCINA0-ADCINA7和通道ADCINB0-ADCINB7模擬量進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，設(shè)置采樣頻率為10 kHz，采樣信號(hào)頻率為50Hz。

通過(guò)MCGS觸摸屏與DSP之間的Modbus協(xié)議，利用4區(qū)輸出寄存器讀寫對(duì)DSP下發(fā)數(shù)據(jù)，在DSP中對(duì)該地址下的下發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)在DSP中對(duì)觀測(cè)值的修改同時(shí)也可在觸摸屏中觀測(cè)到相應(yīng)的變化，利用3區(qū)輸入寄存器只讀對(duì)DSP中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并在觸摸屏中進(jìn)行觀測(cè)。

4 Modbus串行通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)MCGS觸摸屏與DSP的通信，采用串行通信接口SCI和Modbus協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中斷接收和查詢發(fā)送。Modbus協(xié)議中，共包含4種寄存器區(qū)(1區(qū)、0區(qū)、3區(qū)、4區(qū))和多種功能碼，不同功能碼代表對(duì)不同寄存器區(qū)數(shù)據(jù)的不同操作[10]。本設(shè)計(jì)只用到了3區(qū)和4區(qū)及其各功能碼。3區(qū)為輸入寄存器，讀取功能碼04；4區(qū)為輸出寄存器，讀取功能碼為03、06，寫入功能碼為16。圖5為SCI與CPU的接口連接。

圖5 SCI與CPU接口

從圖5中可以看出，串行通信模塊共有兩個(gè)引腳，分別為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的SCITXD引腳和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的SCIRXD引腳。這兩個(gè)引腳分時(shí)復(fù)用，分別與GPIOF模塊的第4位、第5位對(duì)應(yīng)。在初始化編程時(shí)，需要將寄存器GPIOFMUX寄存器中的第4位和第5位置1，否則這兩個(gè)引腳就是通用的數(shù)字I/O口。

5 SPWM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

(1)配置DSP的GPIO口、EV中PWM輸出模式、AD采樣模式和使能相應(yīng)的外設(shè)。通過(guò)周期寄存器T1設(shè)置載波的頻率為10 kHz，調(diào)制波頻率為50 Hz，所以載波比N=200。將調(diào)制波和載波幅值比設(shè)置成0.8，即調(diào)制度M=0.8。

(2)根據(jù)對(duì)稱規(guī)則采樣法的相關(guān)幾何關(guān)系可知開通時(shí)間為：

(18)

而脈寬調(diào)制的軟件實(shí)現(xiàn)就是不斷地去改變比較寄存器CMPR的值，所以在此Ton對(duì)應(yīng)的是DSP事件管理器EV中CMPR1的值，載波周期Tr對(duì)應(yīng)的是2T1PR的值，這樣由式(18)可以得到第k次采樣下比較寄存器值為：

(19)

通過(guò)DSP調(diào)用數(shù)學(xué)函數(shù)sinx來(lái)計(jì)算200次采樣點(diǎn)。

(3)在ADC中斷函數(shù)中，對(duì)采樣次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)采樣次數(shù)達(dá)到10000/50=200次時(shí)，做均值運(yùn)算和有效值運(yùn)算。在DSP控制板中引入0 V和3.3 V兩個(gè)電壓信號(hào)分別加入16路采樣通道中，將運(yùn)算后的數(shù)值引入DSP的觀測(cè)窗口Watch Window中，對(duì)各個(gè)采樣通道進(jìn)行觀測(cè)。由于從AD測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，交流電壓、電流波形通過(guò)AD調(diào)理電路后均有所抬升，所以本設(shè)計(jì)將一正弦波峰峰值為6 V、頻率為50 Hz的波，接入AD采樣端子上，經(jīng)過(guò)調(diào)理到達(dá)DSP的信號(hào)為0～3 V，數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系為y=1.5+0.5x。

(4)由于AD采樣到的點(diǎn)要與載波比較，所以在程序中必須將DSP采樣到的0～3 V信號(hào)進(jìn)行反變換后轉(zhuǎn)換為實(shí)際輸入信號(hào)-3～3 V，數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系為y=2x-3。由式(7)可知，當(dāng)取參考電壓為3 V時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系為0～1.5 V和1.875～3 V，所以輸入到A相電壓的幅值又為1.875 V。分別將上面得到幅值為3 V和1.5 V的傳遞函數(shù)帶入式(19)中，通過(guò)示波器觀測(cè)PWM1-PWM12的波形。

(5)在MCGS組態(tài)環(huán)境下，建立工程并進(jìn)行工程組態(tài)。設(shè)備組態(tài)，在設(shè)備窗口選擇通用串口父設(shè)備，在其下建立子設(shè)備0--莫迪康ModbusRTU，并對(duì)波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中新增4個(gè)變量名，分別為A相電壓平均值、A相電壓有效值、B相電壓有效值、調(diào)制度。在設(shè)備窗口中，新增4個(gè)設(shè)備通道，分別索引到3區(qū)下的地址3WUB0003、3WUB0004、3WUB0005中和4區(qū)下的地址4WUB0003中，并將新增的4個(gè)變量分別索引到該通道地址下。在觸摸屏中通過(guò)輸入框設(shè)置調(diào)制度M的值，輸出框可以顯示出相電壓均值和有效值。

6 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱?/h2>

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性，在MATLAB/Simulink中建立了系統(tǒng)仿真模型并以DSP為控制器搭建了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖6所示為建立的系統(tǒng)模型。

圖6 系統(tǒng)模型建立

系統(tǒng)模型搭建完成后設(shè)置相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

7 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7所示為交流側(cè)A相輸入電壓與電流曲線仿真結(jié)果，從圖中可以看出電流能夠在較短的時(shí)間內(nèi)與電源電壓保持同相位、同頻率，跟隨時(shí)間約為0.01 s，具有較強(qiáng)的快速性和跟隨性。

圖7 A相電壓電流曲線對(duì)比

為了比較SPWM優(yōu)化調(diào)制的優(yōu)越性，仿真中與SVPWM調(diào)制進(jìn)行了比較，給定直流電壓為650 V，圖8所示為兩種不同調(diào)制下的輸出電壓曲線仿真對(duì)比。

從圖8可以看出，采用SPWM調(diào)制時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.012 s，輸出在0.015 s時(shí)達(dá)到給定值;采用SVPWM調(diào)制時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.02 s，輸出在0.023 s時(shí)達(dá)到給定值，系統(tǒng)響應(yīng)低于SPWM調(diào)制且具有較大的電壓超調(diào)量(約為45%)。

圖8 SPWM與SVPWM調(diào)制下輸出電壓比較

在搭建了系統(tǒng)硬件平臺(tái)后，圖9所示為按電壓調(diào)理電路輸入輸出關(guān)系采樣下的SPWM實(shí)驗(yàn)波形。

圖9 SPWM實(shí)驗(yàn)波形

由圖9可以看出輸出的SPWM波形頻率為10 kHz，占空比周期性變化。從電壓調(diào)理電路中可以看出在DSP輸入端設(shè)有0～3.3 V電壓，所以凡是在DSP輸入端大于3.3 V的電壓也可以有效通過(guò)。這樣就不能通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)來(lái)確定輸入輸出關(guān)系了，只能根據(jù)采樣調(diào)理電路進(jìn)行確定，經(jīng)過(guò)對(duì)采樣電路硬件的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果與原理圖輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系一致。

圖10所示為MCGS觸摸屏界面，通過(guò)輸入框可以對(duì)調(diào)制度進(jìn)行設(shè)置，輸出框分別顯示A相電壓平均值、A相電壓有效值和B相電壓有效值。

圖10 MCGS顯示界面

8 結(jié)束語(yǔ)

以PWM整流器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制的硬件調(diào)理電路，按照規(guī)則采樣法完成系統(tǒng)軟件參數(shù)的配置，以T1的周期中斷事件啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，通過(guò)定時(shí)器T1產(chǎn)生周期匹配事件，在T1CNT的值等于T1PR的值時(shí)，T1周期中斷標(biāo)志位置位，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)ADC啟動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)SPWM的調(diào)制處理。最后搭建了仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)輸出的可靠性和正確性。