PWM整流器控制系統實踐教學平臺的開發

姚緒梁，馬 赫，王景芳

（哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱150001）

0 引 言

電力電子技術是高校電氣工程相關專業學生的專業必修課，這門課程不僅介紹了常用的電力電子器件，而且重點講解了幾種常見的電力電子變換電路［1-4］。在這門課的學習過程中，主要目的是讓學生掌握不同電路的工作原理，讓學生擁有扎實的理論基礎。其次是培養學生的動手能力和實驗技能，通過分析實驗現象驗證所學知識。為此，許多高校為滿足教學要求，開始研制相關的實驗設備［5-10］。

近年來，隨著電力電子器件的快速發展，整流器已廣泛應用于各個領域。三相電壓型PWM整流器具有四象限工作、單位功率因數運行、網側電流諧波產生少、直流電壓可控的優點［11-15］。為了提高學生對整流技術基礎知識的認知，并且培養他們的實驗技能和創新思維，開發了三相電壓型PWM整流器控制系統實踐教學平臺。

該平臺既能進行不控整流，使學生與課上所學的整流部分知識進行對比印證。也能通過閉環控制算法，如電壓、電流雙閉環控制，直接功率控制或預測控制，使直流輸出電壓穩定在給定值。交流輸入電壓在一定電壓范圍內變動時，直流側輸出電壓可以維持不變，并且在負載突變后具有快速調節能力。學生也可以在現有的閉環控制算法上進行改進，改善系統的動態性能和穩態性能，培養其程序編寫能力。另外，該平臺設置很多信號輸出端，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脈沖信號等波形，便于其分析實驗現象。

1 總體方案設計

該實踐教學平臺的設計思路如下：硬件電路具有可調節性與高兼容性，軟件程序實現模塊化。可調節性是指電路自身可以根據實際需求靈活地更改電路參數，例如采樣電路可以依據電壓和電流的采樣范圍不同，改變電壓或電流放大倍數，使采樣后的數據更加精確；或者是根據需求選擇不同的濾波參數。高兼容性意味著該平臺可以按需求選用不同型號的器件，更換器件電路仍能正常工作，可以鍛煉學生的自主設計能力。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。軟件程序實現不同功能的模塊獨立編寫，如ADC模塊、定時器模塊、DAC輸出模塊和中斷處理模塊等，這樣學生能夠清楚地理解每一模塊的功能，同時也便于其編程。

基于以上設計思想，所開發的三相電壓型PWM整流器控制系統實踐教學平臺主要由整流電路、驅動電路、控制電路、采樣電路和上位機組成，如圖1所示。上位機可以對整流器控制系統的控制策略、PI參數和輸出電壓進行更改；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，并通過控制算法產生6路PWM脈沖控制整流橋開關管導通與關斷；整流電路將輸入的三相交流電壓變換為直流電壓。

圖1 總體結構框圖

2 三相電壓型PWM整流器控制系統設計

2.1 主電路設計

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

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（簡稱IPM），型號為PM50RL1A060。其額定電流為50 A，耐壓600 V。內部集成了三相共6個全控型開關器件及反并聯二極管，能夠在欠壓、過流以及溫度過高時發出故障信號。簡化了驅動電路的設計，同時大大提高了系統的可靠性。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 控制電路設計

控制電路是整個控制系統的核心。處理器必須具備多路高精度和高速的A/D與I/O接口，擁有快速處理數據的能力［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，其內部使用高速存儲器，而且自帶Flash，不需要外接ROM，簡化了設計。且具有32位高性能RISC內核，豐富的增強型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、電流信號和故障反饋信號。處理器根據采樣得到的電壓和電流信號，通過編寫的控制算法產生6路PWM脈沖驅動IPM內部開關管進行整流。控制電路一旦檢測到驅動電路產生的故障信號，立即封鎖PWM脈沖輸出，保護整個電路。

2.3 采樣電路設計

采樣電路由電壓采樣電路和電流采樣電路構成。電壓采樣電路采用LEM公司型號為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，故測量電壓時需要串聯功率電阻將其變為小電流，輸出的電流信號再經電阻將其變為電壓信號，電阻根據電壓的測量范圍不同分別取值。但是輸出的電壓信號不能直接發送至STM32芯片的ADC模塊，需要進行如圖3所示的信號調理。

首先經過截止頻率為16 kHz的RC低通濾波電路去除高頻干擾。之后由4通道運算放大芯片OPA4277搭建運放電路進行處理。第1級和第4級運放為電壓跟隨器，其具有高輸入阻抗、低輸出阻抗，能夠提高帶載能力；第2級運放和電位器構成電壓抬升電路，由于交流電壓信號在0 V上下波動，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級運放和電位器構成電壓放大電路，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。電流傳感器的型號采用TOKEN公司的TBC25ES565，其輸出為電壓信號，故不需要升壓電阻。但仍然需要經過與電壓采樣電路相同的信號調理電路，之后輸出至STM32芯片的ADC模塊。

圖3 信號調理電路

2.4 驅動電路設計

STM32控制芯片發出的PWM脈沖高電平為3.3 V，但是IPM驅動電壓為15 V。控制電路無法直接驅動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置一個驅動電路實現電氣隔離與功率放大。驅動電路采用光耦隔離芯片4506，并且每一路驅動獨立供電，防止驅動故障燒毀控制電路。

另外，驅動電路不僅要實現電氣隔離和功率放大，還要避免程序出錯或其他故障導致的IPM上下橋臂直通，導致IPM過流燒毀。因此需要具備PWM輸出互鎖功能。由于IPM的驅動信號是高電平截止，低電平導通，所以需要低電平互鎖。假設EPWM1A和EPWM1B是同一橋臂的上橋臂導通信號和下橋臂導通信號。PWM1A和PWM1B是真正輸出至IPM模塊的驅動信號。當EPWM1A和EPWM1B信號同時為“0”時，對應的PWM1A和PWM1B信號應同時為“1”；其他情況時PWM1A和PWM1B信號分別與EPWM1A和EPWM1B信號一致。這樣才可以有效防止IPM上下橋臂直通。設計的互鎖保護電路邏輯如圖4所示。

圖4 PWM互鎖電路邏輯

3 控制軟件設計

三相電壓型PWM整流器控制程序由主程序和中斷子程序構成。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成。延時初始化程序配置系統的時鐘、設置延時時間；中斷優先級設置各個中斷的順序，高優先級的中斷可以打斷低優先級的中斷，用于設置系統保護功能；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采樣數據直接傳送至內存，減輕處理器的負擔；DAC初始化使能DAC功能，用于輸出波形；TIM初始化配置STM32的定時器，用于產生6路互補的PWM脈沖和定時器中斷等。中斷處理程序等待中斷的產生，執行中斷子程序。

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、數據濾波、控制算法、故障檢測和PWM脈沖封鎖。電壓電流采樣程序將ADC采樣得到的網側交流電壓和電流、直流電壓和電流的數字量，轉換為實際的電壓電流數據；數據濾波程序對電壓和電流采樣數據進行處理，保證數據的準確性；控制算法程序通過編寫的控制算法實現閉環控制。PWM整流器控制系統的目的是保持輸出直流電壓恒定、網側電流正弦化、四象限運行。其控制算法一般采用電壓、電流雙閉環控制策略，也可以采用直接功率控制策略或者預測控制策略等。

為了使系統能夠連續安全運行，還需設置故障保護程序。當檢測到IPM產生的欠壓、過流和溫度過高等故障信號，程序立即封鎖PWM脈沖信號，使其全都置為高電平，關斷IPM內部開關管，保護主電路。

4 實驗驗證

根據上述設計方案，搭建PWM整流器控制系統的硬件電路，編寫軟件程序。開發出的PWM整流器實踐教學平臺的實物如圖6所示。

圖6 PWM實踐教學平臺實物圖

實驗過程中采用了傳統的電壓、電流雙閉環控制策略，通過上位機設置直流母線給定電壓，變阻箱可以切換負載。控制系統檢測到負載與電壓變化，調節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、電流和網側三相電壓、電流波形。以直流母線電壓70 V為例，負載電阻滿載時為23 Ω半載時為46 Ω。可以看出不論滿載還是半載，網側A相的電流都實現了正弦化，諧波畸變率很低，并且與網側A相電壓同相位，證明系統在單位功率因數下運行。且負載切換后，直流母線電壓能夠迅速調節回到70 V并保持恒定。

實驗結果表明，開發出的PWM整流器實踐教學平臺可以實現PWM整流器控制策略的驗證。

5 結 語

開發出的PWM整流器控制系統實踐教學平臺，使學生能夠從電路設計階段一直到系統調試階段全程參與，鍛煉了其動手實踐能力，同時提高了學生做實驗的積極性。學生還可以按照自己的想法修改程序，測試并通過實驗驗證不同控制算法的有效性。同時在實驗過程中養成發現問題、自主解決問題的能力，為高級工程技術人才的培養提供了有力支撐。