一种实用化的交流斩波PWM控制时序研究.doc

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(Pulse Width Modulation)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,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。（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。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。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。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1S，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。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。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.1 Ac chopping block voltage regulating system 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。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。图2 交流斩波相位关系Fig.2 Ac chopping phase relationship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.3 the AC signal Including harmonic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。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。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。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.4 The zero-crossing detection circuit With phase-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，输出为 ，滤波器的输入输出比为，相位左移电路的输入输出比为，则 (1)输入信号与输出信号相位差为 ，输出信号滞后输入信号时间为，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，设输出电压信号超前测量电压信号的角度为，调节电容C1 ,C2电阻R1 ,R2的大小使得：。 (2) (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。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，由式1可得 (4) (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。3 CPLD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。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。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。图5 控制程序流程图Fig.5 Control program flow chart3.1 斩波逻辑运算设计斩波控制的逻辑运算部分目的是为了通过对过零检测信号的逻辑运算，找出主电路的电压和电流的正向同向区域，反向同向区域和不同向区域，从而判断是否进行斩波和如何斩波，并且实现斩波信号的调制。程序设计使用MAX+PLUS2的图形输入方法，斩波逻辑运算设计的主要部分如图6所示。VOL_CROSS_502为电压过零检测信号，CURR_CROSS_503为电流过零检测信号，两者经过触发器滤波后进行逻辑运算，Q9为高频PWM调制信号。CM_505B控制反向斩波IGBT，CM_505A控制正向斩波IGBT，CM_510和CM_513控制续流电路IGBT。图6 斩波逻辑运算设计Fig.6 The Logic operation design of AC chopping电压和电流过零信号经过滤波后的信号为VOL和CUR。两者进行与非运算后和PWM调制信号Q9再进行与运算，然后在和两者异或的结果进行或运算，得出反向斩波电路的控制信号CM_505B。VOL和CUR进行或运算后再与Q9进行与运算，结果与两者异或的结果相或，得到正向斩波电路的控制信号CM_505A。VOL和CUR进行与运算得到正向续流电路的控制信号CM_513。VOL和CUR进行或非运算后得到反向续流电路的控制信号CM_510。当VOL和CUR同为1的时候与非门输出为0，与信号Q9与运算后输出为0，在与两者异或的结果进行或运算后CM_505B输出为0，控制反向斩波电路关断。两者进行或运算后和Q9相与后在与两者异或的结果进行或运算，输出为Q9，即输出端CM_505A输出PWM信号。VOL和CUR与运算后输出为1，即输出端CM_513输出1，正向续流电路导通。两者或非运算后输出0，即反向续流电路关断。当VOL和CUR同为0的时候，两者或运算后的结果为0与信号Q9与运算后结果为0，再与两者异或的结果进行或运算，结果为0，正向斩波电路关断。VOL和CUR进行与非运算后结果为1，再和信号Q9进行与运算，结果等于Q9的PWM信号，再和VOL和CUR异或的结果相或输出PWM信号，即CM_505B输出PWM信号，反向斩波。VOL和CUR与运算后为0，正向续流电路关断。两者进行或非运算后为1，反向续流电路导通。当VOL和CUR不同向的时候，VOL和CUR与非运算后为1，再和Q9与运算后结果为1，再与两者异或的结果进行或运算，CM_505B输出为1，反向斩波电路持续导通，但不斩波。VOL和CUR相或后为1，再与Q9与运算后结果为1，再与两者异或的结果进行或运算后，结果为1，即CM_505A输出为1，正向斩波电路持续导通，但不斩波。VOL和CUR或非运算后结果为0，CM_510输出为0，VOL和CUR与运算后结果为0，CM_513输出0，正向续流电路和反向续流电路都关断。结果如表1所示。表1 控制系统输入输出真值表Tab.1 Input/Output true value table of Control system输入Input输出OutputVOLCURCM_505ACM_505BCM_513CM_510000PWM0101110010110011PWM010当主电路的电压和电流同为正向的时候，正向斩波电路的控制端接收到PWM信号，正向续流电路持续导通，反向斩波电路和反向续流电路同时关断，斩波电路进行正向斩波。当主电路电压和电流同为反向的时候，反向斩波电路的控制端接收到PWM信号，反向续流电路持续导通，正向斩波电路和正向续流电路同时关断，斩波电路进行反向斩波。当主电路的电压和电流不同向的时候，正向斩波电路和反向斩波电路持续导通，正向续流电路和反向续流电路持续关断，不进行斩波处理。此时的斩波电路等效成连接电源和负载的导线，不起作用。3.2 PWM占空比控制设计PWM控制信号的占空比决定这交流斩波调压系统供电电压和输出电压的比值。当供电电压一定的时候，控制PWM控制信号的占空比，就可以控制输出电压的大小。逐渐改变PWM控制信号的占空比的目的就是避免输出电压大范围突变给负载造成损害。本文通过CPLD的程序设计来实现这一目的。设计如图7所示。图中的CONS为常数，共设计16个常数，大小逐个变大。由多路路由LPM_MUX逐个选通，选通由矢量信号SD3.0控制。图中的计数器LPM_COUNTER的输出端Q6.0的最高位Q6为输出的PWM信号。时钟信号为CLKU。当某个常数被选通的时候，控制信号SET_A控制后面计数器装载数据，此数据即为当前阶段计数器的计数起始值， LPM_COUNTER计数器526从此数值开始计数，当计数器计数到0x40的时候，输出矢量信号Q6.0的最高位Q6第一次由0翻转为1，然后持续为1，直到下一次计数器装填数据。输出矢量信号的最高位Q6经过非运算后做为PWM调制信号，其占空比决定于计数器的起始计数值。计数器527及其所连接的门电路控制计数器526的数据装填。计数器527从上电开始计数，当计数器到0x31的时候，信号CLR_S由0变为1，使计数器527清零，清零后CLR_S又变为0，计数器从0开始计数。如此反复，CLR_S不断的在0和1之间翻转，但是持续时间比为49:1。CLR_S进过滤波后控制计数器526装载信号，信号SET_A为状态1持续时间为一个时钟周期，持续为零的时间为49个时钟周期，以此信号为控制信号，使计数器反复工作在装填一次数据，然后计数49个时钟周期的状态。因此控制多路路由器选通的常数，来控制信号Q6的占空比，从而控制PWM调制波的占空比。图7 PWM占空比控制设计Fig.7 The control design of PWM duty cycle上电后，信号SD3.0为0000，这时候控制LPM_MUX选通第一个常数，即16位信号result等于第一常数，将这个信号送给计数器的输入端data，这个数据在信号SD3.0变化前保持，等待计数器527装填。当信号SET_A为1的时候，计数器527装填第一个常数，一个时钟周期后，信号SET_A自动变为0，计数器以第一个常数为初始值计数，经过49个时钟周期，在这期间信号Q6经历一次信号跳变，持续为0和持续为1的时间比即为此刻输出PWM信号的占空比。49个时钟周期结束后，进行第二次装填，如果信号SD3.0不变，则计数器重复上次计数，输出的PWM信号的占空比也不变，持续输出占空比不变的PWM信号。当SD3.0变为0001的时候，LPM_MUX选通第二个常数，等待计数器装填。当信号SET_A变为1的时候，装填第二个常数，过一个时钟周期后SET_A变为0，计数器以第二个常数为初始值开始计数，同样计数49个时钟周期。在此期间信号Q6经历一次信号跳变，持续为0和持续为1的时间比即为此刻输出PWM信号的占空比。49个时钟周期结束后，进行下次装填。此时，输出的PWM信号占空比第一次变化。然后输出PWM持续这个占空比输出。信号SD3.0从0000逐渐变为1111，LPM_MUX逐个选通设定的16个常数，使输出的PWM信号占空比变化16次。占空比每次变化后持续一段时间。当信号SD3.0变化为1111后不再变化，PWM信号的占空比也不再变化。如此一来，就实现了PWM控制信号的占空比逐渐变化，从而使交流斩波系统输出的电压逐渐变化。4 实验结果及分析实验使用带镇流器的金属卤化物灯和普通白炽灯并联，负载功率为775W，电源为220V城市供电。交流斩波系统使用文中描述的方法。电流霍尔传感器和电压霍尔传感器使用南京奇霍公司生产的CSM020CG和VSM025A，系统设计最大功率为4400W。过零检测电路主要使用放大器和比较器构成，电容使用CBB电容。控制部分使用Altera生产的CPLD芯片EPM7128SLI84-10。芯片输出控制信号经过光隔芯片TLP250控制IGBT的导通和关断。使用示波器测量过零检测电路的输出信号和CPLD输出的控制信号。使用示波器测量过零检测电路的输出信号如图8所示。图中上半部分的两个信号分别是交流电压信号和过零检测电路输出的电压过零检测信号，从图中可以看出，输出的方波信号超前于交流电压信号一个很小的角度，输出信号中不含噪声干扰，达到了滤波调相的目的。图中下半部分的两个信号分别是交流电流信号和电流过零检测电路输出的电流过零检测信号。输出的方波信号滞后于交流电流信号，输出信号中不含噪声干扰，同样实现了滤波调相的目的。调相后的过零信号送给CPLD芯片，用于判断电流和电压的同向区域和不同向区域，调相的结果可以使斩波电路避开振荡过零区域。图8 过零检测电路输出信号Fig.8 Output signal of zero-crossing detection circuit使用示波器测试输出信号如图9所示。信号1为交流电压信号，信号4为交流电流信号，信号2为正向斩波信号，信号3为反向斩波信号。PWM调制信号的频率为20KHz，有利于减小电流的脉动。斩波信号在驱动IGBT的时候经过反向后加在驱动电路上，控制IGBT的开通和关断。如图中信号2所示，经反向后，当电压和电流同为正向的时候，输出PWM信号，当两者不同向的时候持续导通。如图中信号3所示，经反向后，在电压和电流同为反向的时候进行斩波，不同向的时候持续导通，两信号形成互补信号，正向斩波电路斩波的时候，反向斩波电路关断。反向斩波电路斩波的时候，正向斩波电路关断。在电压和电路过零点附近有一定的相移，成功避开了过零点附近的振荡过零区域。斩波信号与电压和电流信号在相位上保持一致，没有发生相移。图9 交流斩波控制输出Fig.9 Output of AC chopping 通过电压测量，上电后，两种灯均正常启动，上电三分钟延迟后输出电压从220V逐渐变化到目标电压190V，变化过程经历五分钟左右，负载稳定发光，实现了软过度的目的。经长时间运行及反复上电测试，没有出现明显的电压过冲和过电流现象，未出现斩波电路短路现象。灯泡稳定发光，未出现灯泡烧灯丝现象，斩波电路加了强制风冷散热器，交流调压系统均长期稳定工作，未出现异常，系统能安全持久运行。5 结论1)过零检测电路中使用了滤波调相技术，使输出的电压过零信号和电流过零信号不含谐波干扰和相位延迟，并且调相后的过零信号成功的使斩波电路避开了振荡过零区域，避免了主电路短路。2)软过度技术使系统避免在大的电压调节情况下出现的电压过冲和过电流现象。并且系统应用于不同性质负载时均能正常运行。交流斩波调压系统是一种绿色节能的调压技术。使用这种方法可以减小调压系统的能耗，减小对电网的无功功率污染和谐波干扰。3)随着IGBT技术的发展，IGBT的开关速度更快，通态电流和阻态电压更高。减小对PWM调制信号的频率的限制，进一步减小电流的纹波因数，降低对电网的污染。提高交流斩波调压系统的功率和性能。同时本系统也可以通过简单更改CPLD中的程序设计随心所欲的控制输出电压的大小，比传统线绕式变压器更灵活，更智能。参考文献：1刘汉奎，顾建军，徐殿国，王 炎.高性能交流电压调节技术的发展概况J.电工技术杂志，2000,(6).2黄 耘，曾琪琳，宋庭熙.一种新型的交流斩波调压装置的实验研究J.华南理工大学学报，1995,29(6):88-92.3俞红祥，纪延超，林 敏.交流斩波器的新型谐波抑制脉宽调制技术J.中国电机工程学报，2005,25(5):68-73.4毛行奎，张文雄.交流斩波控制调压技术探讨J.机床电器，2004,2:50-53.5石 勇，杨旭，王兆安.新型三电平交流斩波电路的输出频谱结构分析J.中国电机工程学报，2004,24(6):106-110.6 Ronan E R, Sudhoff S D, Glover S F, et al. A power electronic-based distribution transformer.J IEEE Trans- actions on Power Delivery, 2002,17(2):537-543. 7苏 麟，郑建勇，梅 军，丁祖军，吴恒荣 陈 军.CPLD逻辑控制单元在IGBT驱动电路中的应用J.电力自动化设备，2004.118 John V, Suh B S, Lipo T A. High performance active gate drive for high power IGBTs.J Industry Applications Conf -erence,l998,2:15l9-l5299Mohan N, Undeland T M, Robbins W P. Power electronics-converters, applications, and design M. 3nd edition. John Wiley & Sons, 200310 Czamecki L S, Swietlicki T.Powers in nonsinusoidal networks: their interpretation, analysis and measurement.J IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1990, 39 (2):340-34511薛高飞，沈建清，李维波.具有相位补偿功能的过零检测方法研究J.船电技术，2009,(1):49-52.12王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京:机械工业出版社，2009.140-184.13黄先进，蒋晓春，叶 斌，郑琼林.智能化IGBT驱动电路研究J.电工技术学报，2005,20(4):89-93.A practical Application of the AC Chopping PWM Control Timing ResearchAbstract:(Objective)Ac chopper is easy to have a short circuit, the voltage overshoot and over current phenomenon. To solve this problem, there