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PWM变换器跟踪控制技术实验电路设计

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hudi008|  楼主 | 2013-12-27 17:46 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
1 引言

PWM变换器跟踪控制技术中,输出电流跟踪控制应用最多,也可以应用输出电压跟踪控制。本文针对电流跟踪型逆变电路设计了主电路和控制电路,包括单相全桥逆变电路、交流输出侧RL负载、电流误差检测电路,以及数字控制和输出驱动电路等。基于本设计的实验系统,可用于滞环比较型、定时比较型、基于线性调节的三角波比较型,及本专题中其它各种跟踪控制方法的实验研究。对于不同的跟踪控制方法,只需设计对应的数字部分控制程序即可。

2 主电路原理及参数设计

主电路拓扑见图1所示。图中V1-V4是桥式逆变电路的4个开关,它们由IGBT开关管及其驱动电路组成。当开关V1和V4导通,V2和V3断开时,负载电压uo为Ud;



当开关V1和V4断开,V2和V3导通时,uo为-Ud,如图2中所示,其中Tc为开关周期。

按照一定的规律控制V1-V4的通断,即可得到需要的PWM输出电压uo,以达到输出电流io跟踪指令信号ir的目的。

当进行输出电流跟踪控制时,负载一般都应该具有一阶惯性特性。在实验电路中采用RL负载。图2中所示,if为输出电流io经霍尔电流传感器检测所得电流(if=io/ki,ki为霍尔电流传感器的传输比), ir为指令电流。 e=ir-if为电流跟踪误差,如图2下所示。电流跟踪控制的任务就是控制误差电流e,使得if跟踪ir。


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沙发
hudi008|  楼主 | 2013-12-27 17:46 | 只看该作者
主电路主要参数为:Ud=100V,L=37mH,R=10Ω。负载为一阶惯性,时间常数为。设计平均开关频率约为fc=10kHz,开关周期约为Tc=100μs,一般应保证T>>Tc。

3 控制系统原理及参数设计



控制系统整体框图如图3所示。图中,uir为表示指令电流ir的电压信号,uif为表示反馈电流if的电压信号,ei为uir与uif比较后所得的误差值。主电路负载侧电流io经霍尔电流传感器检测,得到电流if。电流if通过一个检测电阻Ri转换为电压信号uif,将电压信号uif作为反馈信号送入控制电路与指令信号uir进行比较,比较后得到误差信号ei。ei经ADC转换送入FPGA,经FPGA做相应处理后,得到PWM控制信号。PWM控制信号经放大电路和隔离驱动电路实现对开关管的控制。由于使用可编程单元,使得该实验系统能够实现多种不同控制方法。

A 控制系统的模拟电路部分

图4为控制系统模拟电路部分,其中运算放大器选用MAX4020。选用传输比ki为1000的霍尔电流传感器。反馈电流if经检测电阻Ri转换为电压信号uif,uif经跟随器A1,与经过反相器A2的指令信号uir在A3中进行比较,比较后输出误差信号ei,送入FPGA。

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板凳
hudi008|  楼主 | 2013-12-27 17:46 | 只看该作者


uir=Riir  (1)

  (2)

  (3)

考虑到主电路最大的输出电流值、MAX4020允许的输入电压,以及AD转换器的输入电压范围,选择电阻Ri=250Ω。



为了滤除反馈信号中存在的谐波信号,并入滤波电容Ci,取Ci=400nF,可得反馈环节惯性滤波时间常数Ti=RiCi=100μs。

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地板
hudi008|  楼主 | 2013-12-27 17:47 | 只看该作者
B 放大电路部分



FPGA输出的PWM控制信号的驱动能力不足,不能直接驱动光电耦合器。图5是一个OC放大器,当三极管导通时,光电耦合器关断;当三极管截止时,15V电源经1kΩ电阻驱动光耦导通。

C 隔离驱动电路



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5
hudi008|  楼主 | 2013-12-27 17:47 | 只看该作者
图6为隔离驱动电路原理示意图。二极管D和电容C组成驱动电路的自举电源。图1主电路中的V1、V2、V3和V4四个开关管采用相同的驱动电路。

4 总结

本文设计了PWM变换器输出电流跟踪控制系统的实验电路,包括主电路和控制电路。由于使用了可编程单元,使得本实验系统能够对不同的跟踪控制方法进行实验研究,只需分别针对不同的控制方法编写不同的控制程序即可。

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