PWM整流器控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)

姚緒梁，馬 赫，王景芳

（哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

電力電子技術(shù)是高校電氣工程相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，這門課程不僅介紹了常用的電力電子器件，而且重點(diǎn)講解了幾種常見的電力電子變換電路［1-4］。在這門課的學(xué)習(xí)過程中，主要目的是讓學(xué)生掌握不同電路的工作原理，讓學(xué)生擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。其次是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能，通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)。為此，許多高校為滿足教學(xué)要求，開始研制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備［5-10］。

近年來，隨著電力電子器件的快速發(fā)展，整流器已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。三相電壓型PWM整流器具有四象限工作、單位功率因數(shù)運(yùn)行、網(wǎng)側(cè)電流諧波產(chǎn)生少、直流電壓可控的優(yōu)點(diǎn)［11-15］。為了提高學(xué)生對(duì)整流技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)知，并且培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新思維，開發(fā)了三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

該平臺(tái)既能進(jìn)行不控整流，使學(xué)生與課上所學(xué)的整流部分知識(shí)進(jìn)行對(duì)比印證。也能通過閉環(huán)控制算法，如電壓、電流雙閉環(huán)控制，直接功率控制或預(yù)測(cè)控制，使直流輸出電壓穩(wěn)定在給定值。交流輸入電壓在一定電壓范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，直流側(cè)輸出電壓可以維持不變，并且在負(fù)載突變后具有快速調(diào)節(jié)能力。學(xué)生也可以在現(xiàn)有的閉環(huán)控制算法上進(jìn)行改進(jìn)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，培養(yǎng)其程序編寫能力。另外，該平臺(tái)設(shè)置很多信號(hào)輸出端，可以通過示波器直接觀察交流電壓/電流、直流電壓/電流和PWM脈沖信號(hào)等波形，便于其分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路如下：硬件電路具有可調(diào)節(jié)性與高兼容性，軟件程序?qū)崿F(xiàn)模塊化。可調(diào)節(jié)性是指電路自身可以根據(jù)實(shí)際需求靈活地更改電路參數(shù)，例如采樣電路可以依據(jù)電壓和電流的采樣范圍不同，改變電壓或電流放大倍數(shù)，使采樣后的數(shù)據(jù)更加精確；或者是根據(jù)需求選擇不同的濾波參數(shù)。高兼容性意味著該平臺(tái)可以按需求選用不同型號(hào)的器件，更換器件電路仍能正常工作，可以鍛煉學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力。另外，相同功能的電路可以通用，例如直流與交流電壓采樣的電路是通用的。軟件程序?qū)崿F(xiàn)不同功能的模塊獨(dú)立編寫，如ADC模塊、定時(shí)器模塊、DAC輸出模塊和中斷處理模塊等，這樣學(xué)生能夠清楚地理解每一模塊的功能，同時(shí)也便于其編程。

基于以上設(shè)計(jì)思想，所開發(fā)的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主要由整流電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、采樣電路和上位機(jī)組成，如圖1所示。上位機(jī)可以對(duì)整流器控制系統(tǒng)的控制策略、PI參數(shù)和輸出電壓進(jìn)行更改；采樣電路采樣直流與交流的電壓、電流；控制電路獲取電壓電流信號(hào)，并通過控制算法產(chǎn)生6路PWM脈沖控制整流橋開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷；整流電路將輸入的三相交流電壓變換為直流電壓。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路如圖2所示，輸入三相電壓經(jīng)TSGC2型調(diào)壓器輸出至整流器交流側(cè)，20～100 V可調(diào)。

三相電壓型PWM整流器的核心電力電子器件為集成功率器件（簡(jiǎn)稱IPM），型號(hào)為PM50RL1A060。其額定電流為50 A，耐壓600 V。內(nèi)部集成了三相共6個(gè)全控型開關(guān)器件及反并聯(lián)二極管，能夠在欠壓、過流以及溫度過高時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)大大提高了系統(tǒng)的可靠性。IPM的集成度非常高，其體積相比于IGBT小很多，也減小了主電路的空間占用，達(dá)到小型化的目的。

圖2 三相電壓型PWM整流器主電路

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。處理器必須具備多路高精度和高速的A/D與I/O接口，擁有快速處理數(shù)據(jù)的能力［16］，因此選擇了ST公司的STM32103ZET6作為處理器。該芯片是32位的ARM微控制器，其內(nèi)部使用高速存儲(chǔ)器，而且自帶Flash，不需要外接ROM，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。且具有32位高性能RISC內(nèi)核，豐富的增強(qiáng)型I/O端口，有兩條APB總線，工作頻率為72 MHz。控制電路的輸入為采樣的電壓、電流信號(hào)和故障反饋信號(hào)。處理器根據(jù)采樣得到的電壓和電流信號(hào)，通過編寫的控制算法產(chǎn)生6路PWM脈沖驅(qū)動(dòng)IPM內(nèi)部開關(guān)管進(jìn)行整流?？刂齐娐芬坏z測(cè)到驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的故障信號(hào)，立即封鎖PWM脈沖輸出，保護(hù)整個(gè)電路。

2.3 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路由電壓采樣電路和電流采樣電路構(gòu)成。電壓采樣電路采用LEM公司型號(hào)為LV25-P的電壓傳感器，由于其采用電流互感原理，輸入輸出均為電流信號(hào)，故測(cè)量電壓時(shí)需要串聯(lián)功率電阻將其變?yōu)樾‰娏鳎敵龅碾娏餍盘?hào)再經(jīng)電阻將其變?yōu)殡妷盒盘?hào)，電阻根據(jù)電壓的測(cè)量范圍不同分別取值。但是輸出的電壓信號(hào)不能直接發(fā)送至STM32芯片的ADC模塊，需要進(jìn)行如圖3所示的信號(hào)調(diào)理。

首先經(jīng)過截止頻率為16 kHz的RC低通濾波電路去除高頻干擾。之后由4通道運(yùn)算放大芯片OPA4277搭建運(yùn)放電路進(jìn)行處理。第1級(jí)和第4級(jí)運(yùn)放為電壓跟隨器，其具有高輸入阻抗、低輸出阻抗，能夠提高帶載能力；第2級(jí)運(yùn)放和電位器構(gòu)成電壓抬升電路，由于交流電壓信號(hào)在0 V上下波動(dòng)，而STM32的輸入電壓范圍為0～3.3 V，故將其最小值抬升到0 V以上；第3級(jí)運(yùn)放和電位器構(gòu)成電壓放大電路，可以放大電壓范圍以提高采樣精度；第4級(jí)電壓跟隨器輸出濾波后利用BAV99將輸入到STM32的電壓限制在3.3 V以內(nèi)。電流傳感器的型號(hào)采用TOKEN公司的TBC25ES565，其輸出為電壓信號(hào)，故不需要升壓電阻。但仍然需要經(jīng)過與電壓采樣電路相同的信號(hào)調(diào)理電路，之后輸出至STM32芯片的ADC模塊。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

STM32控制芯片發(fā)出的PWM脈沖高電平為3.3 V，但是IPM驅(qū)動(dòng)電壓為15 V?？刂齐娐窡o法直接驅(qū)動(dòng)IPM，而且與主電路之間需要電氣隔離，因此需要在主電路和控制電路之間設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離與功率放大。驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離芯片4506，并且每一路驅(qū)動(dòng)獨(dú)立供電，防止驅(qū)動(dòng)故障燒毀控制電路。

另外，驅(qū)動(dòng)電路不僅要實(shí)現(xiàn)電氣隔離和功率放大，還要避免程序出錯(cuò)或其他故障導(dǎo)致的IPM上下橋臂直通，導(dǎo)致IPM過流燒毀。因此需要具備PWM輸出互鎖功能。由于IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是高電平截止，低電平導(dǎo)通，所以需要低電平互鎖。假設(shè)EPWM1A和EPWM1B是同一橋臂的上橋臂導(dǎo)通信號(hào)和下橋臂導(dǎo)通信號(hào)。PWM1A和PWM1B是真正輸出至IPM模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)EPWM1A和EPWM1B信號(hào)同時(shí)為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號(hào)應(yīng)同時(shí)為“1”；其他情況時(shí)PWM1A和PWM1B信號(hào)分別與EPWM1A和EPWM1B信號(hào)一致。這樣才可以有效防止IPM上下橋臂直通。設(shè)計(jì)的互鎖保護(hù)電路邏輯如圖4所示。

圖4 PWM互鎖電路邏輯

3 控制軟件設(shè)計(jì)

三相電壓型PWM整流器控制程序由主程序和中斷子程序構(gòu)成。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3.1 主程序

主程序流程圖如圖5（a）所示，由初始化程序和中斷處理程序構(gòu)成。延時(shí)初始化程序配置系統(tǒng)的時(shí)鐘、設(shè)置延時(shí)時(shí)間；中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置各個(gè)中斷的順序，高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷，用于設(shè)置系統(tǒng)保護(hù)功能；DMA初始化和ADC初始化用于配置ADC模塊I/O口的采樣通道、采樣順序和采樣頻率等，使用DMA功能可以將ADC采樣數(shù)據(jù)直接傳送至內(nèi)存，減輕處理器的負(fù)擔(dān)；DAC初始化使能DAC功能，用于輸出波形；TIM初始化配置STM32的定時(shí)器，用于產(chǎn)生6路互補(bǔ)的PWM脈沖和定時(shí)器中斷等。中斷處理程序等待中斷的產(chǎn)生，執(zhí)行中斷子程序。

3.2 中斷子程序

中斷子程序是程序的核心部分，控制算法就是在中斷中執(zhí)行的，流程圖如圖5（b）所示。中斷子程的功能如下：電壓電流采樣、數(shù)據(jù)濾波、控制算法、故障檢測(cè)和PWM脈沖封鎖。電壓電流采樣程序?qū)DC采樣得到的網(wǎng)側(cè)交流電壓和電流、直流電壓和電流的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓電流數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)濾波程序?qū)﹄妷汉碗娏鞑蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；控制算法程序通過編寫的控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PWM整流器控制系統(tǒng)的目的是保持輸出直流電壓恒定、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、四象限運(yùn)行。其控制算法一般采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，也可以采用直接功率控制策略或者預(yù)測(cè)控制策略等。

為了使系統(tǒng)能夠連續(xù)安全運(yùn)行，還需設(shè)置故障保護(hù)程序。當(dāng)檢測(cè)到IPM產(chǎn)生的欠壓、過流和溫度過高等故障信號(hào)，程序立即封鎖PWM脈沖信號(hào)，使其全都置為高電平，關(guān)斷IPM內(nèi)部開關(guān)管，保護(hù)主電路。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，搭建PWM整流器控制系統(tǒng)的硬件電路，編寫軟件程序。開發(fā)出的PWM整流器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的實(shí)物如圖6所示。

圖6 PWM實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程中采用了傳統(tǒng)的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，通過上位機(jī)設(shè)置直流母線給定電壓，變阻箱可以切換負(fù)載?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)到負(fù)載與電壓變化，調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，使直流母線電壓保持恒定。圖7為滿載與半載切換過程中的直流母線電壓、電流和網(wǎng)側(cè)三相電壓、電流波形。以直流母線電壓70 V為例，負(fù)載電阻滿載時(shí)為23 Ω半載時(shí)為46 Ω。可以看出不論滿載還是半載，網(wǎng)側(cè)A相的電流都實(shí)現(xiàn)了正弦化，諧波畸變率很低，并且與網(wǎng)側(cè)A相電壓同相位，證明系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。且負(fù)載切換后，直流母線電壓能夠迅速調(diào)節(jié)回到70 V并保持恒定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)出的PWM整流器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)PWM整流器控制策略的驗(yàn)證。

5 結(jié) 語

開發(fā)出的PWM整流器控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生能夠從電路設(shè)計(jì)階段一直到系統(tǒng)調(diào)試階段全程參與，鍛煉了其動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)提高了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性。學(xué)生還可以按照自己的想法修改程序，測(cè)試并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同控制算法的有效性。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)問題、自主解決問題的能力，為高級(jí)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)提供了有力支撐。