【導(dǎo)讀】的熱點課題之一。的微機控制器將成為今后整流器的發(fā)展方向。隨著控制方法的不斷改進(jìn)與發(fā)展，對微。機整流控制器的運算速度提出了非常高的要求。號處理器)作為控制核心，研究并設(shè)計了基于DSP的PWM整流器。器相比在性能上的優(yōu)勢。從整流主電路、控制電路、測量電路、SVPWM調(diào)制方法等幾。文中還介紹了PIM的使用，并基于此設(shè)計了系統(tǒng)的主電路，并用。TMS320F2812的匯編語言與C語言結(jié)合進(jìn)行了軟件編程。由于采用了這些先進(jìn)技術(shù)，使得本文中的PWM整流器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、操作方便。

　　

【正文】 足負(fù)載對電壓的要求 ，而且要能控制流過濾電感L 中的電流波形為正弦。從電源控制方面看， dcU 過低，將會導(dǎo)致交流側(cè)電流畸變嚴(yán)重，甚至不能跟隨給定 ； dcU 過高，將會提高器件的耐壓定額，增加成本，也會降低系統(tǒng)可靠性。 由原理圖 a)，可以看出，要保證續(xù)流二極管只在續(xù)流時導(dǎo)通，系統(tǒng)完全可控，直流電壓 dcU 。必須不小于輸入端 A, B, C 處的交流線電壓基波的峰值。在滯環(huán)電壓控制方 式下 dcU 。產(chǎn)生的三相橋輸入端線電壓基波最大值為僅 2/3 dcU ，而交流側(cè)三相對稱系統(tǒng)電壓合成矢量幅值為 2/3 mU ( mU 為相電壓峰值 )，因此，mdc UU 32/3 ? ，及直流側(cè)電壓滿足 : mdc UU 3? () 在交流電源電壓最大值或有效值給定后，可根據(jù) ()大致確定直流側(cè)電壓值。 在 VSR 系統(tǒng)設(shè)計中，交流側(cè)電感的設(shè)計至關(guān)重要，這是因為 VSR 交流側(cè)電感的取值不僅影響到電流環(huán)的動、靜態(tài)響應(yīng)，而且還制約著 VSR 輸出功率、功率因數(shù)以及直流電壓。 VSR交流側(cè)電感的主要作用可歸納如下 : （ 1)隔離電網(wǎng)電動勢與 VSR交流側(cè)電壓。通過 VSR 交流側(cè)電壓幅值、相位的 PWM控制，或通過 VSR 交流側(cè)電流幅值、相位的 PWM控制均可實現(xiàn) VSR四象限運行。 （ 2)濾除 CSR焦?fàn)t測 PWM 諧波電流，實現(xiàn) VSR 交流側(cè)正弦波電流或一定范圍內(nèi)的任意電流波形控制。 （ 3)使 VSR 具有 boost PWM AC/DC 變換性能及直流側(cè)受控電流源特性。 （ 4)使 VSR 獲得良好電流波形的同時，還可以向電網(wǎng)傳輸無功功率，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容特性運行。 （ 5)使 VSR 控制系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 可見，交流側(cè)電感的選取對整個系統(tǒng)有很大的影響。在實際系統(tǒng)設(shè)計中，直流側(cè)電壓選定后，交流側(cè)電感的設(shè)計對電源電流波形影響很大，一方面它影響到輸入電流諧波含量，總的輸入電流諧波畸變率定 義為 : 100/)(100)/(% 2222322 ??????? ?????? ? IIIII IniIh IIT H D () 式中 nI 為所有諧波電流分量的總有效值 1I ，為基波電流有效值。因此，從濾波的長學(xué)春工業(yè)大學(xué)士學(xué)位 論文 21 角度看，希望交流側(cè)電感不能太小 ； 另一方面，電感參數(shù)的選擇也影響了實際電流的跟蹤速度。設(shè)計交流側(cè)電感應(yīng)考慮以下兩個方面 : (1)電感設(shè)計不能太小，否則輸入電流的諧波過大。 以 a 相分析，由式 ()可得 3/)2(/ cbaadcaaas SSSUUKUdtdiL ??????? () 寫成增量形式 ssdcaasdcaasa fLUKULUKUTi /)(/)( ????? () 其中 sT ,為斬波開關(guān)周期。從每個控制周期內(nèi)電流波動幅值的要求考慮， ai? 最大不超過 maxi 的 倍，上式中，當(dāng) aU 取最大 值， ak 取最大 2/3時， ai? 波動最大，此時滿足 : m a xm a x )3/2( assdcaa ifLUUi ???? 變換上式可得 : sadcaadcas fIUUiUUL322 32m a xm a x ???? () (2)電感不能太大，否則會降低電流的跟蹤速度。在電流過零附近，電流變化率最大，此時，電流的跟蹤速度應(yīng)該大于電流變化率的最大值，即 : ssadcsa TwTILUTi /)s i n (3/2/ m a x??? 變換上式可得 : )s in (3/2 m a x sasdcs wTITUL ? 當(dāng) kHzfs 2? 是， ss wTwT ?)sin( ，從而可得 wIUL adcs m ax3/2? 從制作電感的成本和整流器的體積方面考慮，我們希望電感的數(shù)值小一些，而且實際上不存在 minmax ss LL ? 的可能，因此，設(shè)計電感時一般只考慮式 ( )。 直流側(cè)電容的設(shè)計也至關(guān)重要，它的選擇影響著系統(tǒng)的特性及安全性，這是因為直流 側(cè)電容有以下功能 : 1)濾除由器件高頻開關(guān)動作造成的直流電壓紋波。 2)負(fù)載變化時，在整流器的慣性延時時間內(nèi)將直流電壓的波動維持在限定范圍內(nèi)。 由于中間回路與兩端變流器之間存在著復(fù)雜的能量交換過程，目前還沒有簡單實長學(xué)春工業(yè)大學(xué)士學(xué)位 論文 22 用的方法來選擇合適的支撐電容的大小。輸出電容的選取須綜合考慮。一方面，從濾波效果看， C 值越大越好 ； 另一方面，從體積、重量、價格和動態(tài)特性看， C 值又不宜過大。因此電容的選取應(yīng)在保證輸出電壓滿足要求下，盡量取小。 文中額定 功 率為 20kW，直流側(cè)負(fù)載電阻 LR 取 300? ，直流側(cè)電容 dC 選用250V/2200uf 。交流側(cè)電壓 220V，開關(guān)頻率為 10k ，由式 () 取 dcU 為 700 V。 由式 ( )可得， ? ，取一點余量， sL 取為 6mH 。 長學(xué)春工業(yè)大學(xué)士學(xué)位 論文 23 第四章 PWM整流器的硬件設(shè)計 PWM 整流器的硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 所示?？刂葡到y(tǒng)以 DSP 為基礎(chǔ)，其型號為 TI 公司 TMS320F2812，功率開關(guān)器件則采用智能功率模塊 (Intelligent Power Module， IPM )，型號為 富士 公司的 6MBP75RA120。下面分別詳細(xì)說明之。 70mHL170mHL270mHL310KR110KR210KR32200uFC1RL電壓檢測IPM 驅(qū)動保護(hù)電路DSPADCAPADADCAP+電流幅值檢測電路電壓幅值檢測電路同步信號檢測電路同步信號檢測電路 圖 處理器的選擇 數(shù)字信號處理器 DSP (Digital Signal Processor)作為進(jìn)行高速數(shù)字信號處理的微處理器，采用改善的哈佛結(jié)構(gòu)， 提高了運算速度，除此以外，還采用流水線技術(shù)、硬件乘法和乘加指令 MAC，獨立的直接存儲器訪問 (DMA)總線及其控制器、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器 (DAG)、定點 DSP 處理和浮點 DSP 處理等技術(shù)。數(shù)字信號處理器 (DSP)適合于完成數(shù)字濾波、 FFT、頻譜分析等方面任務(wù)，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。作為數(shù)字信號處理系統(tǒng)， DSP 有其專門的開發(fā)工具和軟件，這不是一般高性能通用微處理器的系統(tǒng)可以替代的。 DSP 采用匯編語語言和 C語言編程，其信號處理算法相關(guān)函數(shù)庫，己成為 DSP技術(shù) (DigitalSignal Processing)的一部分。 除了性價比考慮外，足夠的開發(fā)資料、便宜的開發(fā)裝置、強大的開發(fā)環(huán)境以及周到的售后服務(wù)等也是選擇 CPU 時需要考慮的因數(shù)。 TI 公司作為全球 DSP 及模擬器件的領(lǐng)導(dǎo)者，在技術(shù)和市場等方面都積累了豐富的經(jīng)驗。所以在本設(shè)計控制系統(tǒng)中采用了 TI 最新推出的 32 位定點 DSP : TMS320F2812。該芯片具有以下特點 : 長學(xué)春工業(yè)大學(xué)士學(xué)位 論文 24 (1)頻率為 150MHz，單周期 32X32 位 MAC 功能，內(nèi)核 1. 8V、片上外設(shè) 3. 3V 的低功耗設(shè)計 。 (2)片上存儲器 :128K?16位 FLASH, 18K?16位 SRAM, 4K? 16位 BootROM , 1 K? 16位 OTPROM，最大地址訪 問 A 空間 4M。 (3)片上外設(shè) :7 個定時器， 16 通道 16 位 PWM, 6 通道 CAP/QEP, 2? 8通道 12位ADC, 80ns 轉(zhuǎn)換時間、 0～ 3V 量程， 2 個 SCI 異步串口， MCBSP 同步串口， 1 通道 SPI同步串口， 1通道 ECAN 總線 。 (4)為 F28xx 系列 DSP 量身定制的 IDE(CCS)，使 C編譯效率達(dá)到近 90%，程序可完全采用 C 語言編寫。并提供虛擬浮點數(shù)學(xué)函數(shù)庫和獨特的 IQ(高精度定點運算 )數(shù)學(xué)函數(shù)庫。使得設(shè)計人員很方便地將浮點算法移植到定點處理器中。 實時時鐘 本設(shè)計采用美國 Dallas 公司生產(chǎn)的串行時鐘芯片 DS1305 來實現(xiàn)時間的管理。 DS 1305 是 Dallas 公司推出的串行接口帶報警實時時鐘，它有 20 腳的 TSSOP, 16 腳的DIP兩種封裝方式，工作電壓范圍從 2. 0～ 5. 5V。電路原理圖如圖 4. 2所示。 CE12SCLK14SDI15SDO16VCC1GND10GND13NC19NC4NC8NC6INT19PF18INT07VCC120SERMODE11VCCIF17X25X13VBAT2+1KR?Res11 2XTAL1BAT1+VCC1uFC1 圖 DS1305 用二一十進(jìn)制 (BCD)碼表示實時時鐘的秒、分、小時、星期、日、月和年的時間信息，并且自動對小月 (少于 31 天的月份 )和閏年的日期進(jìn)行調(diào)整，兼有帶AM/PM 指示 12 小時和 24 小時兩種時間指示格式。 DS1305 支持通過 SPI 串行數(shù)據(jù)端口或者標(biāo)準(zhǔn)的三線接口進(jìn)行時間的校正和數(shù)據(jù)的讀取，可進(jìn)行單字節(jié)的或連讀字節(jié)束發(fā)方式的訪問。 SERMODE 接地，串口訪問模式設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn) 3線模式 :SD1(串口數(shù)據(jù)輸入 )與 SDO(串口數(shù)據(jù)輸出 )連接在一起作為單一的 I/O 引腳，它與 CE、 SCLK 組成 3線模式。 SERMODE 接 VCC，選擇 SPI 通信模式，具體操作可查閱有關(guān)資料。 INTO、 INTl 提供兩個可編程的中斷報警信號，可通過串行總線訪問和設(shè)定秒、分、長學(xué)春工業(yè)大學(xué)士學(xué)位 論文 25 時、星期的報警時間。 X1, X2 引腳直接連接標(biāo)準(zhǔn)的 32. 768kHz 晶振，無需外接其它元件。如實時時鐘有誤差，可以在振蕩器兩端并接 1uF電容進(jìn)行調(diào)整。 DS1305 共有 148 個用戶 RAM，其讀操作地址與寫操作地址空頭分開，當(dāng)其高位為 1時，為寫操作地址空間， 0為讀操作地址。除實時時鐘、日歷寄存器和通用寄存器之外，還有作一般數(shù)據(jù)存儲器用的 96 字節(jié)的 NVRAM。操作之前，必須對控制寄存器、狀態(tài)寄存器、涓流充電寄存器進(jìn)行初始化。 以下為控制寄存器 (OF 讀， 8F 寫 ): 7 6 5 4 3 2 1 EOSC WP 0 0 INTCN AIE1 AIE0 EOSC:設(shè)置為 0 使振蕩器開始工作，設(shè)置為 1, DS1305 處于低功耗閑置狀態(tài)。 WP:寫保護(hù)位，上電初始化后， WP 位處于三態(tài)，在任何寫操作之前，該位必須清零。 INTCN:中斷控制位，控制兩個中斷之間的聯(lián)系，置位后兩個中斷引腳 INTO, INT1 分別響應(yīng)各自的中斷 (需中斷使能 )，清零后，中 斷 1,2 報警時間匹配都只能引發(fā) INTO 輸入低電平， INTl無效。 ALEO, ALE1 置 1時中斷 0, 1 使能。 狀態(tài)寄存器 (讀 l OH)只有兩位 IRQFO, INQFl，置位時分別表示中斷時間匹配。涓流充電寄存器 (讀 11H，寫 91H)控制涓流充電的特性。 DS1305 標(biāo)準(zhǔn)三線模式的讀寫操作過程，每個字節(jié)需要 16 個 SCLK 時鐘。通過 CE引腳輸入高電平來啟動所有數(shù)據(jù)傳送，前 8個 SCLK 周期為輸入寫命令，后 8個 SCLK周期為輸入或輸出的數(shù)據(jù)。輸入時， SCLK 的上升沿數(shù)據(jù)有效 。輸出時， SCLK 的下降沿輸出數(shù)據(jù) 有效。 電源轉(zhuǎn)換電路 F2812 上有 3類典型電源引腳 : （ 1) CPU 內(nèi)核電源引腳 ()； （ 2) I/0 電源引腳 (1. 8V) ； （ 3)模擬電路電源引腳 () ； 本設(shè)計選擇電源芯片為 TI公司的 TPS767D318，將外接的 5V直流電源轉(zhuǎn)換成 V和 ，其應(yīng)用電路如圖 ，其輸入電壓為 5V，輸出電壓為 ，輸出電流為 lA/lA 長學(xué)春工業(yè)大學(xué)士學(xué)位 論文 26 1KR11KR1C1+R310uFC2R410uFC3 輸出 輸出46V 輸出+NC1NC21GND3IEN41IN51IN6NC7NC82GND92EN10IN112IN12NC13NC142OUT181REST28NC27NC261FB/NC25OUT24OUT232REST22NC21NC20NC192OUT17NC16