基于SPWM調(diào)制的交流恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙琛，張益，裴方晟，陶澤勇

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司上海200233）

隨著SPWM技術(shù)在逆變器等領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，以及IGBT、Power MOSFET等功率開(kāi)關(guān)器件的迅速發(fā)展，使得SPWM控制的大功率交流恒流電源向著小型化、智能化、高精度方向發(fā)展[1]。根據(jù)對(duì)我國(guó)目前的電源生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模來(lái)看，主要從組裝、中外合資、自主研發(fā)3方面著手。組裝企業(yè)采用進(jìn)口部件進(jìn)行組裝，質(zhì)量好，成本高，關(guān)鍵技術(shù)受限于人，對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)適應(yīng)性差；中外合資企業(yè)基本能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，但對(duì)企業(yè)發(fā)展?jié)摿透?jìng)爭(zhēng)力有限；自主研制企業(yè)能按市場(chǎng)需求進(jìn)行專(zhuān)注研發(fā)，雖然整理水平有待提高，但適用性強(qiáng)，有利長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。因此，考慮到市場(chǎng)上的恒流源在精度、穩(wěn)定性、幅值、相位、價(jià)格等方面無(wú)法同時(shí)滿足要求，本文對(duì)恒流源的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究和探討，制作了一個(gè)可并聯(lián)使用的恒流源裝置，該裝置可完成部分低壓電器產(chǎn)品的型式試驗(yàn)[2-3]。

文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM微控制器LPC1768微處理器的大功率交流型恒流電源系統(tǒng)，在分析單極性SPWM的調(diào)制原理的基礎(chǔ)上利用LPC1768特性，實(shí)現(xiàn)了單極性SPWM分?jǐn)嗤秸{(diào)制方式，其控制精度高、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在不受外界因素干擾下輸出穩(wěn)定精確的恒定電流值。

1　基本結(jié)構(gòu)及工作原理

本數(shù)控恒流源系統(tǒng)由恒流源主電路和控制系統(tǒng)組成，主要包括單片機(jī)控制單元、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、通訊模塊以及負(fù)載及鍵盤(pán)顯示模塊等，電子式交流恒流源整體框圖如圖1所示。通過(guò)人機(jī)接口界面對(duì)電流值、頻率等參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，整流（AC/DC）模塊將來(lái)自市電的380 V交流電通過(guò)整流變成530 V的直流電為后續(xù)的逆變電路提供能量，同時(shí)也為系統(tǒng)的其它模塊提供輔助電源；逆變器模塊通過(guò)SPWM波控制IGBT通斷，進(jìn)而輸出幅度、相位可調(diào)的正弦交流信號(hào)提供給降壓升流變壓器；頻率跟蹤模塊對(duì)參考信號(hào)的頻率及相位進(jìn)行精確采樣，為后面的正弦信號(hào)發(fā)生器提供參考頻率和初始相位，確保逆變后的電流信號(hào)與參考信號(hào)一致，此處為恒流源能任意并聯(lián)使用的關(guān)鍵所在；電壓采集模塊對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并反饋給后續(xù)的誤差控制模塊；電流采集模塊通過(guò)精密電流互感器，實(shí)時(shí)采集實(shí)際輸出電流，處理后送后續(xù)電路進(jìn)行顯示、反饋處理；正弦信號(hào)發(fā)生器模塊根據(jù)頻率相位跟蹤塊提供的信號(hào)產(chǎn)生與參考信號(hào)完全同頻率同相位的正弦信號(hào)提供給誤差控制模塊，同時(shí)正弦信號(hào)的幅度受輸出設(shè)定和PID控制模塊控制，通過(guò)模糊PID算法運(yùn)算后，實(shí)時(shí)控制正弦號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)幅度，從而使輸出電流與設(shè)定一致并恒流；誤差控制模塊將正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)與逆變輸出采樣的正弦信號(hào)進(jìn)行誤差運(yùn)算后，輸出給SPWM信號(hào)發(fā)生器，使逆變后的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)相位頻率相同；來(lái)自誤差控制模塊的正弦信號(hào)與本模塊內(nèi)的三角波載率信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生SPWM波形，驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件，從而完成逆變過(guò)程；通訊顯示檔位控制處理模塊主要處理通訊接口、人機(jī)界面顯示及檔位控制、異常處理等，采用ARM-CortexM3處理器，內(nèi)置嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），應(yīng)用軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。多個(gè)模塊形成多個(gè)環(huán)路，配合LPC1768微處理器，并結(jié)合一定的控制策略對(duì)輸出電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而構(gòu)成輸出電流的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)輸出電流值的恒定[4-6]。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)和工作原理可知，本系統(tǒng)采用AC-DC-AC（如圖1所示）的典型模式。單相逆變?nèi)珮螂娐方邮諄?lái)自市電整流濾波后的直流母線電壓，并通過(guò)ARM單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)死區(qū)設(shè)置和驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變主電路。單相全橋逆變電路輸出為大電壓小電流，必須升流濾波后才能得到所需恒流交流電輸出[7-9]。硬件主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1　交流恒流源系統(tǒng)總體框圖

圖2　硬件主電路結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于對(duì)于全橋的有效驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，以及升流變壓器、濾波器的設(shè)計(jì)。這兩者直接關(guān)系到了系統(tǒng)的可靠性以及所能達(dá)到的功率和精度要求。

2.1　SPWM波形發(fā)生電路設(shè)計(jì)

SPWM波形發(fā)生電路是逆變器工作的核心控制電路，利用LM311電壓比較器將正弦波變成同頻率的方波，通過(guò)CD40106BE對(duì)脈沖波形整形，使波形的上升沿或下降沿變得陡直，其SPWM脈沖幅值為5 V，頻率50 Hz。在單相全橋電路中，上下橋臂之間的開(kāi)關(guān)器件在切換工作狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通狀況，為防止其產(chǎn)生，需要設(shè)置延遲時(shí)間，可通過(guò)死區(qū)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。死區(qū)時(shí)間控制電路及驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。當(dāng)與非門(mén)的輸入為高電平時(shí)，電容通過(guò)電阻充電，充電過(guò)程完成之前與非門(mén)輸出高電平，使驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出負(fù)脈沖，開(kāi)關(guān)器件截止；充電完成之后與非門(mén)輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出正脈沖，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，從而得到SPWM穩(wěn)定脈沖[4]。

2.2　升流濾波模塊設(shè)計(jì)

圖3　死區(qū)時(shí)間控制及驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)的逆變主電路部分由4個(gè)IGBT管組成H型全橋電路，其輸出為型式試驗(yàn)所需要的低壓大電流，為了使輸出電流達(dá)到試驗(yàn)需求，輸出信號(hào)在電壓降低的同時(shí)提高輸出電流，故本方案中采用了升流變壓器來(lái)達(dá)到此目的。升流變壓器在結(jié)構(gòu)和使用方面有別于普通工頻變壓器：1）由于IGBT管采用SPWM波進(jìn)行控制，工作波形為交流方波波；2）相對(duì)于普通工頻變壓器，升流變壓器工作頻率高很多，一般在100～500 kHZ，本設(shè)計(jì)中載波頻率是20 kHZ，具有使用效率高、損耗小等特點(diǎn)；3）由于較高的載波頻率，在升流變壓器設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足系統(tǒng)高頻工作需求和考慮高頻諧波的影響[10]。

根據(jù)恒流源使用的環(huán)境和范圍，設(shè)計(jì)的額定輸出電流Io=200 A，輸出電壓最大值Uo=20 V，則功率輸出最大值為：

由于實(shí)際試驗(yàn)中，IGBT管驅(qū)動(dòng)時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)方波占空比大于75%（即SPWM生成調(diào)制比a=0.65），IGBT管將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱，持續(xù)條件下很容易造成燒壞而使使用壽命大為降低。故在利用單片機(jī)得到驅(qū)動(dòng)IGBT的SPWM波形時(shí)，為保證系統(tǒng)安全可靠，方波占空比控制在65%以內(nèi)。經(jīng)過(guò)逆變?nèi)珮螂娐泛?，輸出電流最大值為?/p>

由于開(kāi)路情況下，額定輸出電壓為20 V，可知得變壓器的變比為：

升流變壓后輸出電壓為SPWM波形，但同時(shí)包含正弦波分量以及高低次諧波。因此，為消除這些影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波環(huán)節(jié)，通過(guò)濾波設(shè)備對(duì)載波進(jìn)行LCL濾波[11]，最后得到一個(gè)完整正弦波對(duì)負(fù)載進(jìn)行型式試驗(yàn)，波形失真度<5%。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控芯片LPC1768主要根據(jù)采集來(lái)的電流值，輸出一定頻率和占空比的脈沖來(lái)控制全橋開(kāi)關(guān)器件的通斷。主程序控制流程如圖4所示，其核心是SPWM波形的產(chǎn)生和數(shù)字PID的控制調(diào)節(jié)算法，通過(guò)硬件、軟件兩層反饋，PID控制算法以及SPWM波調(diào)節(jié)等都極大的提高了系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定度[12]。

程序設(shè)計(jì)思想是，通過(guò)MCGS觸摸屏進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)設(shè)置后，采集電路采集到電壓、電流與設(shè)定的預(yù)置值進(jìn)行比較，通過(guò)鍵盤(pán)掃描、按鍵子程序處理后進(jìn)行PID運(yùn)算，由ARM改變輸出PWM波的占空比，不斷調(diào)節(jié)、穩(wěn)定電流值，使電流值接近于期望值，并通過(guò)采用的是電子開(kāi)關(guān)和高性能嵌入式一體化觸摸液晶顯示屏TPC7062Ti進(jìn)行實(shí)時(shí)更新顯示[13-14]。

圖4　主程序控制流程圖

圖5　模糊PID控制系統(tǒng)框圖

由于交流恒流電源的檢測(cè)對(duì)象具有多樣性，為了使交流恒流源的輸出電流具有相對(duì)較好的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性，在軟件設(shè)計(jì)對(duì)控制系統(tǒng)的算法方面選取了模糊PID控制器，利用模糊控制器規(guī)則在線對(duì)增量式PID的參數(shù)進(jìn)行修改[15]，模糊PID控制系統(tǒng)圖如圖5所示。PID參數(shù)模糊自整定過(guò)程是找出PID的3個(gè)參數(shù)與e和ec之間的關(guān)系，在大功率恒流源運(yùn)行過(guò)程中模糊控制器對(duì)e和eb的值進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對(duì)KP、KI、KD3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以滿足不同的控制變量e和ec對(duì)控制參數(shù)不同的要求，系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能都相應(yīng)變好。

4　系統(tǒng)功能測(cè)試與分析

在低壓電器相關(guān)型式試驗(yàn)（TTA）的檢測(cè)能否精確穩(wěn)定的進(jìn)行，以產(chǎn)品型號(hào)：JXF主母線：In=200～20 A，Icw=4 kA；Ue=380 V，Ui=400 V；50 Hz；IP30的低壓配電箱（低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備）低進(jìn)行溫升試驗(yàn)為例來(lái)說(shuō)明，通過(guò)交流恒流源的MCGS觸摸屏進(jìn)行試驗(yàn)系數(shù)校準(zhǔn)，外接GEN2i數(shù)據(jù)采集瞬態(tài)記錄儀，通過(guò)GEN2i的GUI來(lái)觀察三相相位角是否穩(wěn)定。為了比較預(yù)置電流和輸出電流之間的誤差，在0～200 A間選定了10個(gè)測(cè)試點(diǎn)相比較，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如表1所示，其中ID為預(yù)置參考電流；I1為恒流源顯示總電流；I2為GEN2i數(shù)據(jù)采集瞬態(tài)記錄儀羅氏線圈測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，相對(duì)誤差τ計(jì)算公式為相對(duì)誤差：

圖6為A、B、C三相電流輸出波形，可以看出兩相相位差ΔX為6.63 ms，而周期T為20 ms，可知交流恒流源三相電相位角穩(wěn)定在120°。

由表1可以看出，交流恒流源在10～200 A時(shí)，預(yù)置輸入?yún)⒖贾蹬c電流互感器檢測(cè)到的顯示電流值存在一定偏差，但能控制在1%左右，且電流越接近額定值，穩(wěn)定性越好[16]。因此結(jié)果是符合實(shí)際測(cè)量精度要求的。

表1　交流恒流源電流測(cè)試數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

圖6　A、B、C 3相電流輸出波形

本文敘述了以LPC1768微處理器為控制核心、基于單極性SPWM調(diào)制的高穩(wěn)定交流恒流電源的設(shè)計(jì)。與常用恒流源裝置相比，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）它的輸出電流可在0～200 A任意設(shè)置，無(wú)須步進(jìn)設(shè)置；2）若根據(jù)型式試驗(yàn)需求，可任意并聯(lián)組合，得到需要的大功率輸出電流；3）恒流源隨負(fù)載變化小，系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度得到了很大的提高，可實(shí)際應(yīng)用于各種低壓電器的校驗(yàn)和型式試驗(yàn)等場(chǎng)合。