研究与开发 基于ＤＳＰ的单相斩控式交流调压器的设计 唐小强 皇金锋董锋斌 （陕西理工学院电气工程系，陕西汉中 ７２３００３） 摘要 交流斩波调压技术是一种新型高性能的交流调压技术，在中小交流调压器领域获得广 泛应用。本文在分析工作原理基础上，以ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为控制器，组建了单相斩波交流调压 自动闭环控制系统，详细分析了过零检测、主电路、检测采样电路和系统软件设计。实验结果验 证了硬件构成和软件设计的合理性，为斩波交流调压系统的设计提供相应的理论基础。 关键词：交流斩波；ＤＳＰ；闭环系统 Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ＡＣ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｃｈｏｐｐｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ＴａｎｇＸｉａｏｑｉａｎｇ Ｈｕａｎｇ￣ｎｆｅｎｇ ＤｏｎｇＦｅｎｇｂｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ ７２３００３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃ ｃｈｏｐｐｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ａｃ ｃｈｏｐｐｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２．Ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｃ ｃｈｏｐｐｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃ ｃｈｏｐｐｅｒ；ＤＳＰ；ｃｌｏｓｅｄ＇ｌｏｏｐ ｓｙｓｔｅｍ １ 引言 斩控调压和相控调压相比优点在于：斩控式交 图中Ｖ１、ＶＤ１、Ｖ２和ＶＤ２构成双向斩波开关，ＶＦ１ 和ＶＤＦ１、ＶＦ２和ＶＤＦ２构成双向续流开关，在实 流调压是连续调节方式，其输入电流、输出电压谐波 及其对电网和升压变压器的影响较相控方式小得多。 对它的输入电流、输出电压的波形分析表明，除基波 外，还含有频率在开关频率及其整数倍；两侧处分布 的谐波。当开关频率足够高时，只要引入极小尺寸的 输入、输出滤波器，即可将输入电流、输出电压中的 谐波完全滤除，电源侧的功率因数总是与负载侧相 同。因此，采用斩控式交流调压电路可使装置体积减 际电路中，双向开关由采用带有反并联二极管的单 ＩＧＢＴ功率模块反相串联组成。 该拓扑结构采用带电流检测的非互补控制方式， 开关模式由电压极性决定，避免了调压器中主开关和 续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相 过电压。主开关缓冲电路经优化设计后，可保证主开 关开通电流小于１．５倍通态电流，改善开关过程电压、 电流变化轨迹，大大减小器件开关损耗。对输出电压 波形的傅里叶分析结果表明，除基波以外还含有其他 谐波，谐波频率在开关频率及其整数倍两侧分布，开 关频率越高，越容易滤除。经优化设计的滤波器滤波 后，可认为输出电压仅含有基波ｌｊＪ。 小，功率因数提高［１之】。而且斩控式交流调压采用全 控型器件，可大大改善系统动态响应特性。 本文以单相斩波交流调压器为研究对象，分析了 斩控式调压电路的工作原理，并以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为 控制器，设计出单相斩波调压器闭环自动控制系统。 ２ 主电路的拓扑结构及工作原理 图１所示为单相斩波交流调压电路拓３ｔ＂结构。 图１ 单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路 １ ０ ｌ电 技７Ｉｔ ２ｏ１ １年第３期 陕西理工学院大学生创新实验项目（ＵＩＲＰ１０２７） 陕西省教育厅资助项目（２０１０ＪＫ４６８） ３单相斩控式交流调压器的系统设计 ３．１ 系统结构框图 斩控式交流调压器包括主电路和控制电路两部 分。图２为其基本结构框图，主电路部分包括斩波 用的双向电力电子开关和输入滤波环节。控制电路 由电压采集、控制信号和信号驱动３部分组成。其 中控制信号由ＤＳＰ来完成。电路工作时，将采集到 的负载电压求其有效值并进行Ａ／Ｄ转换，与设定值 比较，进行ＰＩ调节计算出占空比Ｄ。占空比Ｄ连同 输入电压信息加于脉冲形成电路；驱动电路把来自 脉冲形成电路的脉冲信号进行放大、整形，使其满 足电力电子开关器件的要求，其输出加在电力电子 器件的控制端。 图２斩波式交流调压框图 ３．２硬件电路设计 单相斩波式交流调压器的硬件电路如图３所 示。硬件电路主要有过零检测、主电路、检测采样 电路三部分组成。主电路拓扑结构在前面已经做了 详细的说明，不再赘述，以下简要说明其他两部分 申．路。 图３单相斩波式交流调压器的硬件电路 （１）过零检测电路 交流调压的一个关键就是过零检测，如果过零 检测不好，可能导致正弦波上下半波不对称，这样 就失去了交流调压的意义。一般来做交流的过流检 测有两种方法，即ＡＩＤ转换检测和光耦检测。在本 次设计中，用光耦来对交流电零点进行检测，这种 方法简单，易操作，也可以做到上下半波很对称。 过零检测电路如图４所示。 （２）采样电路 １）电压检测 研究与开发 根据反馈控制规律，要形成闭环控制系统，必 须有反馈回路。此系统控制的是斩控交流负载端电 压，因而有交流电压检测环节。电压检测电路为图 ５。其中Ｒ３为互感器初级分压限流电阻，电压互感 器选用ＧＰＴ－２０２Ｂ。 图４过零检测电路 图５电压检测 ２）采样调理电路 数字控制部分只能识别正的电压信号，而电压 检测的信号是交流的，所以要通过调理电路把采样 的信号转换为ＤＳＰ能够识别的信号。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 片内ＡＩＤ采样的输入电平范围为０－３Ｖ，因此需要 通过模拟采样调理模块，将采集信号经过适当的变 换，得到ＤＳＰ可以处理的０～３ Ｖ以内的信号。采样 调理电路如图６所示，将检测到的电压信号经整流 桥，最后经过电位器分压，形成０－３Ｖ的交流电压 送到ＤＳＰ。同时在输出端接一个３Ｖ限幅电路，从 防止烧坏ＤＳＰ。 Ｖ 图６采样调理电路 ３．３系统软件设计 系统软件设计分为ＰＷＭ信号产生程序，ＡＩＤ 转换中断服务子程序。 （１）主程序设计 主程序由系统初始化子程序，ＰＷＭ产生子程 序，ＡＩＤ电压反馈子程序，ＰＩ运算子程序等中断服 务子程序构成。 （２）Ａ／Ｄ转换中断服务子程序 实验用事件管理器ＥＶＡ来启动ＡＩＤ中断服务 字程序，采样周期ｌ００ｕｓ。 （３）数字ＰＩ调节器算法 ２０１１年第３期电皇暑｛技斌ｆ １ １ 研究与开发 输入时误差函数为Ｐ（ｆ），输出函数为 （ｆ）时，ＰＩ 调节器的传递函数为 ＝ ㈩ ＰＩ调节器时域表达式可写成 （ｆ）： ｉ （ｆ）＋ ） ＝ （，）＋ ）ｄ （２） 图８经滤波后的负载电压 其增量式ＰＩ调节器算［ 为 Ａｕ（ｋ）＝“（ ）－ｕ（ｋ一１） ＝Ｋ 【ｅ（ ）一ｅ（ｋ—１）］＋Ｋ。Ｔｓａｍｅ（ｋ） （３） ５结论 本文采用单管反串联双向电子开关斩波式交流调 ＰＩ调节器输出可由下式求得 （尼）＝ｕ（ｋ一１）＋Ａｕ（ｋ） （４） 压拓扑电路，利用光耦隔离器来检测电压过零，方法 简单，实用。以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为核心控制器件，采用 用ＰＩ控制算法实现系统的完全数字控制，用软件编程 的方法产生ＩＧＢＴ的控制信号。系统优点是体积小巧， 性能稳定。系统具有良好的稳态性能和动态性能，调 压范围宽，输出波形平滑，对电网的谐波污染小。 参考文献 ［１］ 洪乃刚．电力电子技术基础［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，２００８．１：１８３—１８９． 只要在计算机中多保存上一拍的输出值即可。 ４实验结果分析 实验交流变换器输出电压设定为５５Ｖ，负载是 阻性负载，阻值８０Ｑ，开关频率为１０ｋＨｚ，电压检 测回路滤波电容Ｃ 为ｌｕＦ。经参数整定后，系统具 有良好的稳态性能和动态性能，调压范围宽，输出 波形平滑，对电网的谐波污染小。图７为未经电容 滤波的负载电压。图８为滤波后的负载电压。 ［２］ 王兆安．电力电子技术［Ｍ］．第四版．北京：机械工业出 版社，２０００． 【３］ 毛行奎，张文雄．交流斩波控制调压技术探讨［Ｊ］．机床 电器．２００４（２）：５０—５３． ［４】于海生．微型计算机控制技术［Ｍ］．北京：清华大学出 版社。１９９９．３：９１．９５． 作者简介 唐小强（１９８５．），学士，研究方向：电力电子技术应用。 图７负载电压 天威保变启动３ＭＷ海上风电设备项目 近日，河北保定天威保变电气股份有限公司上市十周年庆 典日前在北京举行。董事长丁强透露，天威保变“具有自主知 识产权的３ＭＷ海上风电设备研发”项目已经全面启动。 在新能源制造方面，天威保变研制出４０ｋＷ风光互 补并网发电系统，建成了世界上最先进、涵盖工艺最全 面的薄膜太阳能技术研发中心。其新型薄膜太阳能电池 已应用于目前国内最大的光伏建筑一体化项目，并制造 出具有国际先进水平且适合国内风况的１．５ＭＷ风电整 机。 １２ Ｊ电 技７Ｉｔ ２０１ １年第３期
