基于LPC2148控制器和功率因素補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)小功率變頻器的設(shè)計(jì)

作者：盧少武，盧珞先，錢(qián)成明

引言

隨著現(xiàn)代控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)已達(dá)到了完全可以與直流調(diào)速相媲美的程度，其卓越性能使其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣 。對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件——變頻器，小功率變頻器是大公司所不重視的，但小功率電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在工業(yè)自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，甚至于日常健康用品中都越來(lái)越多地用到小功率變頻器。本系統(tǒng)采用了功率因素補(bǔ)償技術(shù)，有效減小了用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的危害并增強(qiáng)其適應(yīng)性，達(dá)到諧波治理的目的，同時(shí)具有顯著的節(jié)能效果，突出了綠色電源的安全節(jié)能性。另外，采用Philips公司的LPC2148作為控制器，充分利用其A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、串行通信等功能。設(shè)計(jì)利用3個(gè)雙邊沿控制的SPWM波形，構(gòu)成三相橋主回路的控制，利用LPC2148的捕獲功能實(shí)現(xiàn)一路軟件PWM控制PFC（Power Factor Correction）。

1 功率因素補(bǔ)償（PFC）

工業(yè)控制應(yīng)用中電力網(wǎng)經(jīng)常需要與整流器相連。經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線性電路，在電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波。PFC的目的就是消除這些窄而陡的電網(wǎng)脈沖，這些陡的電流會(huì)引起頻射干擾；更嚴(yán)重的是，它的有效值比所需的負(fù)載輸出功率要大。這不僅會(huì)造成輸入電機(jī)溫升過(guò)高，還會(huì)使濾波電容的溫升提高并降低其可靠性。

將PFC技術(shù)應(yīng)用在boost變換器中。功率因素補(bǔ)償電路的首要任務(wù)是，利用boost變換器將沿正弦半波曲線上升和下降的不同輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的、比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。在整個(gè)正弦電壓的半個(gè)周期里，導(dǎo)通時(shí)間由軟件PWM控制，它檢測(cè)到輸出電壓并利用誤差放大器與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)負(fù)反饋來(lái)設(shè)置導(dǎo)通時(shí)間，從而使輸出電壓保持定值不變。其第2個(gè)任務(wù)是，檢測(cè)輸入電網(wǎng)的電流并使它變?yōu)榕c輸入電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。這也需要通過(guò)調(diào)整boost變換器的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)通時(shí)間由負(fù)反饋環(huán)決定，將實(shí)際電網(wǎng)電流采樣并與基準(zhǔn)正弦波電流比較。這兩個(gè)正弦波的差值是誤差電壓，由誤差電壓來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間使兩個(gè)正弦波具有相同的幅值。最終控制boost變換器導(dǎo)通時(shí)間的電壓是直流輸出電壓的誤差電壓和輸入電網(wǎng)電流的誤差電壓的合成電壓。這種合成由LPC2148內(nèi)部的乘法器實(shí)現(xiàn)，其輸出與輸出電壓的誤差電壓和輸入電流的誤差電壓的乘積成正比。

2 VF控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 VF控制的硬件實(shí)現(xiàn)

變頻器是運(yùn)用近代電力電子與控制技術(shù)的一種新興產(chǎn)品，主要用在各種工業(yè)和民用的機(jī)電設(shè)備上。其特點(diǎn)是，通過(guò)改變供電頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到提高機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化程度與節(jié)約能源的目的。VF控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、機(jī)械特性硬度較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

涉及的變頻器電路由主回路、驅(qū)動(dòng)控制電路、人機(jī)界面、PFC功率因素校正電路、保護(hù)電路、RS485通信接口電路和輔助電源電路等幾部分組成。通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、動(dòng)態(tài)性能良好的小功率變頻器。用戶(hù)可以通過(guò)人機(jī)界面來(lái)設(shè)置電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速，也可以通過(guò)外部端子的輸入信號(hào)來(lái)控制。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖2 系統(tǒng)主程序流程

該系統(tǒng)含兩個(gè)功率部分：帶有PFC功能的BOOST電路和三相SPWM逆變橋電路。

第一部分是一個(gè)BOOST升壓模塊，電路中有電壓和電流兩個(gè)閉環(huán)回路，采用PID算法實(shí)現(xiàn)控制。一方面實(shí)現(xiàn)消耗電流對(duì)輸入電壓波形的跟蹤，以及消耗電流與輸入電壓相位的同步；另一方面使逆變橋母線電壓輸出恒為DC 375 V。這個(gè)設(shè)計(jì)使市電供應(yīng)在AC 85~265 V的范圍時(shí)都可以得到功率因素補(bǔ)償PF=1的效果。

第二部分由帶自舉驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能的高低邊半橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)MOS管組成的3個(gè)獨(dú)立半橋。LPC2148處理器作為主控制器，輸出3路雙邊沿調(diào)制的 SPWM波形。該3路輸出采用自舉、電平移位方式，經(jīng)功放后驅(qū)動(dòng)半橋輸出，減少對(duì)輔助電源的需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；具備完善的瞬時(shí)過(guò)流保護(hù)電路和持續(xù)過(guò)流保護(hù)功能。在系統(tǒng)瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，關(guān)閉部分驅(qū)動(dòng)脈沖，長(zhǎng)期過(guò)載可以使系統(tǒng)停止對(duì)外輸出，待過(guò)載消失可以重新啟動(dòng)。逆變橋設(shè)計(jì)的最大調(diào)制比為85%，使母線電壓375 V調(diào)制三相為220 V交流（375×0.85約大于220 V的峰值電壓310 V）。

2.2 VF控制的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要利用LPC2148自帶SPWM發(fā)生模塊、PFC控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)進(jìn)行的。軟件由主程序和中斷程序組成。主程序包括 LPC2148的初始化、A/D轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)定、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)以及轉(zhuǎn)速顯示。其主程序流程如圖2所示。

中斷程序包括串口中斷和定時(shí)器中斷，當(dāng)串口接收到外部中斷后，CPU從串口讀取參數(shù)，進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)，如圖3所示，其狀態(tài)命令和標(biāo)志說(shuō)明如表1所列。

圖3 外部中斷狀態(tài)圖

表1 外部中斷命令標(biāo)志說(shuō)明

執(zhí)行完畢后，更新原有參數(shù)，然后回到主程序再次等待外部中斷。定時(shí)器內(nèi)部中斷服務(wù)程序主要涉及的是LPC2148內(nèi)部SPWM產(chǎn)生模塊，定時(shí)器中斷程序流程如圖4所示。

圖4 內(nèi)部定時(shí)器中斷程序流程

3 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果

仿真軟件采用MATLAB中的Simulink，具有直接搭建模塊、縮短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，在控制系統(tǒng)和電機(jī)仿真中應(yīng)用廣泛。交流輸入端為220 V、50 Hz電壓，PFC中電感為1 μH，電容為450 μF，為方便觀看輸出電流波形，取時(shí)間長(zhǎng)度為0.03 s，仿真結(jié)果如圖5所示。同時(shí)通過(guò)檢測(cè)消耗電阻兩端電壓與輸入電壓，并對(duì)電壓波形進(jìn)行比較，得到圖6所示的波形?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正，消耗電阻的電流接近正弦波跟隨輸入電壓。

圖5 三相輸出電流波形

4 結(jié)論

利用PFC技術(shù)和VF控制理論構(gòu)成一個(gè)小功率變頻器，并由具有高性?xún)r(jià)比的LPC2148芯片作為控制核心實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制。由于PFC技術(shù)的引入，有效地減小了用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的危害，達(dá)到諧波治理的目的， 同時(shí)具有顯著的節(jié)能效果，從而使電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。另外， LPC2148芯片的高性能使整個(gè)控制系統(tǒng)的算法在幾微秒內(nèi)完成，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能得到極大提高。該變頻器已經(jīng)在生產(chǎn)應(yīng)用中投入使用。

圖6 消耗電阻電壓與輸入電壓波形

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