一种实用化的交流斩波PWM控制时序研究

一种实用化的交流斩波PWM控制时序研究摘要：（目的）针对交流斩波电路容易产生短路，电压过冲和过电流等问题，提出一种基于交流电压和交流电流过零检测的交流斩波PWM(PulseWidthModulation)控制方法。（方法）通过对不同性质负载的电压和电流的相位研究，使用对电压和电流过零信号进行滤波，调相和逻辑运算后使能交流斩波的方法，避开过零点附近振荡过零区域，避免主电路产生短路。通过对斩波电路拓扑和控制时序的研究，使用逐渐改变PWM控制信号占空比的方法，实现电压软过度，软过度过程经历五分钟，之后系统稳定工作在190V电压下，避免主电路出现电压过冲和过电流现象。（结果）通过实验检测，交流斩波调压电路实现了电压软过度的目的，并且不再出现短路，电压过冲和过电流现象。（结论）使用这种方法，从本质上解决了传统交流斩波电路中的短路，电压过冲和过电流现象，保证了交流斩波系统安全持久运行。关键词：交流斩波;过零检测;电压过冲;过电流;短路;软过度（研究的重要意义）交流斩波调压技术作为一种新兴的节能调压技术，广泛应用于电能处理领域。交流斩波技术通过控制斩波电路中的电力电子开关管的开通和关断，实现对交流电压的斩波，从而达到降压的目的]1[,是一种绿色节能的调压方式。（前人研究进展）交流斩波控制的方法也多种多样，通常使用PWM控制技术]2[。（研究的切入点）交流斩波调压系统的负载可能是纯阻性负载、感性负载或容性负载。当负载为容性负载或感性负载时，主电路的电压与电流存在一定的相位差，在一个电压周期内存在电压和电流极性相反的区域。（研究拟解决的关键问题）如果直接斩波处理，容易出现短路，电压过冲和过电流现象]3[。同时，在调压过程中，如果直接调节电压大小，由于滤波电路和负载中可能存在电感和电容，直接调压同样会导致主电路出现电压过冲和过电流现象，目标电压值和供电电压值差别越大，电压过冲和过电流现象越严重。因此，控制时序的设计，决定着斩波电路的安全有效运行]4[。由交流斩波的原理可以知道，斩波要在电压和电流极性相同的时候进行，并且主电路的电流在过零点附近会振荡过零，在此处斩波会导致电路短路]5[。本文设计一个交流信号过零检测电路，检测出交流电压信号和交流电流信号的正半周期和负半周期，并且对过零检测信号进行滤波和相位补偿，滤除信号中的谐波噪声并补偿滤波产生的相移，提高检测精度，同时要设计相位调节电路，不同于相位补偿电路的是相位调节电路的目的是为了避开交流市电过零点附近振荡过零区域。使用CPLD构成调制控制电路，采集过零检测电路输出的电压过零信号和电流过零信号。通过逻辑运算使能斩波电路，在电压和电流极性相同的区域进行交流斩波。在斩波过程中，输出的PWM控制信号的占空比决定着输出的交流电压的大小，因此，在调压时，逐渐改变PWM控制信号的占空比，从而使输出电压逐渐变化为目标电压，实现软过度。1交流斩波控制的基本原理1.1系统结构设计交流斩波控制系统如图1所示，系统使用电压霍尔传感器VSM025A采集电网的交流电压信号，使用电流霍尔传感器CSM020CG采集流过负载的交流电流信号。霍尔传感器能有效隔离测量端和信号输出端，所使用的传感器原副边绝缘电压有效值为2.5KV，精度可达到0.7%，响应时间小于1S，是比较理想的电流和电压信号传感器。滤波-相位补偿电路使用运算放大器，并使用CBB电容，滤除交流信号中的谐波噪声，并补偿滤波导致的移相，输出高精度的过零信号，温度稳定性高。调相-过零比较电路使用比较器和CBB电容，对交流信号进行相位调节，以避开交流市电过零点附近的振荡过零区域，然后进行过零比较，将信号送给CPLD。斩波电路和续流电路使用IGBT反向串联，实现斩波功能]6[。控制电路使用CPLD芯片，对采集的电压过零检测信号和电流过零检测信号处理后，按控制时序输出PWM控制信号]7[。滤波网络是为了滤除斩波后电流和电压中的谐波干扰，要使用大功率器件。图1交流斩波调压系统框图Fig.1Acchoppingblockvoltageregulatingsystem本文主要研究过零检测和控制时序，解决短路和电压过冲和过电流问题，并实现软过度，保证斩波电路安全持久运行。1.2斩波控制相位分析交流斩波调压系统的负载可能是纯阻性负载、感性负载或容性负载。当负载为容性负载或感性负载时，主电路的电压与电流存在一定的相位差，在一个电压周期内存在一个电压和电流极性相反的区域]8[。因此要设计过零检测电路，检测出电压和电流的正负半周期，在电压和电流同向的时候进行斩波。本文提出的过零检测电路要进行调相处理，将精确测量出的电压和电流过零信号进行调相。在感性负载的时候，电压超前于电流。可使用调相电路，使输出的电压过零信号超前于检测的交流电压信号，输出的电流过零信号滞后于检测的交流电流信号。如图2所示。电压过零信号电流过零信号1234ab图2交流斩波相位关系Fig.2Acchoppingphaserelationship图中的区域1和区域3为电压和电流同向的区域，理论上在这两个区域进行斩波。然而电压和电流过零点附近会出现振荡过零的现象，如图3所示，示波器测得的是交流市电的信号，小窗口中精确显示了过零点附近的振荡过零现象。图3含谐波的交流信号Fig.3theACsignalIncludingharmonic本文提出将过零信号调相的方法，如图2所示，将电压过零信号超前于交流电压信号一个角度a，将电流过零信号滞后于交流电流信号一个角度b,基于这种过零信号的斩波控制将在区域2和区域4进行斩波，可以避开电压和电流的振荡过零区域，保障斩波电路安全持久运行。2交流市电过零检测设计与分析2.1过零检测设计电力系统中存在复杂的干扰信号，高次谐波会导致正弦信号重复过零，产生多个过零点。低次谐波干扰和直流信号干扰会导致零点向上或向下移动]9[。如图3所示。如果直接对传感器测量的交流信号进行过零检测，会出现重复过零的现象，并且过零时间会提前或滞后。如果不能有效滤除噪声干扰，控制电路就会给主电路发出错误的控制信号，导致IGBT误导通和误关断。对IGBT器件造成损坏的同时也会导致主电路短路等严重后果，对供电系统和负载造成严重损坏]10[。所以设计滤波电路，滤除检测信号中的高频和低频干扰，仅保留50Hz的工频信号，以得到精确的正弦波信号。滤波电路的输出信号相对于输入信号会有一定的相移，这是由滤波电路的拓扑结构所决定的。过零点检测电路检测的是交流电过零点的时刻，如果检测信号产生相移，检测电路的输出信号就错误的表达了主电路交流电过零点的时刻，所获得的检测信号就失去意义。所以需要保证滤波电路的输出信号与主电路交流电的相位一致。所以要设计相位补偿电路，对滤波后的信号进行相位补偿]11[。同时交流市电在过零点附近会出现振荡过零现象，在感性负载情况下，调相电路使电压过零信号相位超前于交流电压信号一定的角度，电流过零信号相位滞后于交流电流信号一定的角度，用于控制斩波电路避开零点附近的振荡过零区域。电路结构如图4所示。图4带调相功能的过零检测电路Fig.4Thezero-crossingdetectioncircuitWithphase-modulation输入端由电压跟随器构成，R1,C1以及比例放大电路构成滤波电路，比例放大电路用于补偿滤波电路导致的信号幅值的衰减，R2，C2构成相位左移电路，补偿上一级电路导致的相位滞后，同时实现电压信号的超前和电流信号的滞后。电路的输入信号由霍尔传感器提供。霍尔传感器检测到的交流电信号经过滤波放大调相，输出一个交流信号。系统需要设计一个过零点比较电路将交流信号转化为方波信号。比较器输入端的电容CAP使用CBB电容，对输入信号起到滤波作用，比较器的反馈回路中的电容CAP对交流信号起到一个正反馈的作用，使输出信号的上升沿更陡，使用比较器LM393进行过零比较。输出信号控制三极管的开通和关断，输出TTL电平的方波信号。2.2相位调节的频域分析为了减小谐波对信号产生的干扰，常采用滤波器对信号滤波后再进行过零比较。信号在经过滤波器后常产生相位延迟，设输入信号的相量为iU，输出为oU，滤波器的输入输出比为1A，相位左移电路的输入输出比为2A，则121212/||||oiUUAAAA(1)输入信号与输出信号相位差为12，输出信号滞后输入信号时间为12()/t，以电压信号为例，由式1可得，经滤波电路后，输入信号与输出信号相位差为12，设输出电压信号超前测量电压信号的角度为3，调节电容C1,C2电阻R1,R2的大小使得：123。390arctanarctanLHffff(2)32211505090arctanarctan22RCRC(3)根据式3选择器件的参数，使输出信号超前输入信号角度为3。电流信号使用同样的电路拓扑结构，调相用电容，电阻参数与电压信号使用的电路中的电容电阻参数不同，电容同样使用CBB电容。设电流信号滞后于测量电流信号角度为4，由式1可得124(4)422115050arctanarctan9022RCRC(5)本文使用的感性负载电压超前于电流的情况，根据式3和式5选择电压过零检测电路的电容电阻和电流过零检测电路的电容和电阻，使输出的电压过零检测信号超前于交流电压信号，输出地电流过零检测信号滞后于交流电流信号，避开振荡过零区域。3CPLD控制程序设计PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术广泛应用于电力电子领域，其理论基础是面积等效原理。即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同]12[。CPLD构成的控制系统首先采集过零检测电路的信号，经过逻辑运算后使能斩波。然后，通过程序产生占空比变化的PWM控制信号。最后将经过逻辑运算后的PWM控制信号通过光隔芯片分别传送给IGBT的控制端，控制斩波电路中的IGBT的开通和关断]13[。本文使用Altera的EPM7128SLI84-10芯片，1MHz的晶振。借助于EDA软件MAX+PLUS2进行控制部分的设计。程序设计流程如图5所示。STOP_ALL为手动控制信号，VOL为电压过零检测信号，CURR为电流过零检测信号。系统上电后开始判断STOP_ALL信号，此信号为手动控制信号，由CPLD芯片外部获得，来启动和停止程序的运行。当检测到启动信号后，计数器开始计数，计数器的作用是为了在上电开始后延迟一段时间再开始斩波，刚上电的时候电路运行不稳定，此时如果开始斩波，会导致系统的损坏。当计数结束后，斩波控制程序开始运行。斩波控制程序的一部分为PWM信号发生程序，运行过程中，逐步改变信号的占空比，供输出使用。PWM信号是实现交流斩波的控制信号，其频率决定了交流斩波调压系统输出的交流电的谐波含量，是PWM控制的核心，PWM信号的占空比逐渐改变的好处是可以实现软过度。斩波控制程序的另一部分为逻辑判断程序与PWM信号发生程序同时开始运行。当VOL和CURR同为1时正向斩波，正向续流电路持续导通，送给正向斩波电路的信号为PWM信号发生电路产生的占空比逐渐变化的PWM控制信号，送给正向续流电路的信号持续为1。当两者同为0的时候负向斩波，反向续流电路持续导通，送给反向斩波电路的信号是PWM信号发生电路产生的占空比逐渐变化的PWM控制信号，送给反向续流电路的信号持续为1。当电压电流不同向的时候，双向续流电路关断，双向斩波电路导通，送给正向斩波电路和反向斩波电路的信号同为1，送给正向续流电路和反向续流电路的信号同为0。不进行斩波。PWM信号发生电路产生的PWM信号占空比由最大，逐渐变小，控制输出的PWM调制信号的占空比，从而控制输出电压逐渐变化，实现输出电压软过度，当达到目标电压后输出恒定占空比的PWM控制信号，电路稳定在目标电压运行。上电初始化STOP_ALL=1计数器清零计数器开始计数计数器计数结束使能斩波电路VOLCURR=1输入信号VOL,CURR输入信