基于CPLD和ARM控制器實(shí)現(xiàn)PWM時序產(chǎn)生電路的應(yīng)用設(shè)計

作者：林濤，李德銀，馬榮兵，崔訓(xùn)軍

高壓鈉燈是城市照明的重要設(shè)備， 其供電電源對照明節(jié)能的效果和鈉燈工作的可靠性具有十分重要的意義。針對交流調(diào)壓電源應(yīng)用于城市路燈節(jié)能照明這一特殊場合， 分析了其帶電流檢測的非互補(bǔ)式控制方式的工作過程， 并采用CPLD 設(shè)計了一種相應(yīng)的PWM時序產(chǎn)生電路， 節(jié)能照明電源采用此種斬波時序電路后可以帶感性、阻性、容性負(fù)載， 工作穩(wěn)定。

引 言

近年來， 城市的照明節(jié)能工作， 已經(jīng)引起了各地、各級政府的高度關(guān)注， 并對城市照明節(jié)能提出更高要求。在早期的降壓節(jié)能產(chǎn)品中主要經(jīng)歷了自耦變壓器調(diào)壓、補(bǔ)償變壓器調(diào)壓、可控硅調(diào)壓等幾個階段， 但因其各自的缺點(diǎn)越來越不適合城市照明節(jié)能更高的要求， 隨著IGBT 的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用， 交流斬波調(diào)壓技術(shù)以其功率因數(shù)高、諧波少、效率高、動態(tài)過程快、濾波器體積小等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的關(guān)注， 也越來越多的應(yīng)用于城市節(jié)能照明領(lǐng)域。

1 用于城市照明節(jié)能的交流斬波調(diào)壓電源主電路原理

城市照明交流調(diào)壓電源采用/ 交流2交流0 逆變技術(shù)， 不受負(fù)載特性的限制， 能與任何的負(fù)載匹配， 輸入與輸出頻率相同， 頻率響應(yīng)寬， 不產(chǎn)生高次諧波等 。其主電路拓?fù)淙鐖D1 所示， 圖中V1 和VD1 ， V2 和VD2 構(gòu)成雙向斬波開關(guān)， VF1 和VDF1 ， VF2 和VDF2 構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)， Lif ， Cif和Lof ， Cof為低通輸入、輸出濾波器。

基本原理直流斬波電路有類似之處當(dāng)在電源正半周， 用V1 進(jìn)行斬波控制， VF1 提供續(xù)流通道， 在負(fù)半周， 用V2 進(jìn)行斬波控制， VF2 提供續(xù)流通道。設(shè)斬波器件（V1 或V2 ） 導(dǎo)通時間為T on ， 開關(guān)周期為T ， 則導(dǎo)通比A= T on / T ， 改變A可調(diào)節(jié)輸出電壓， 既輸出電壓為Uo= AUi（ Ui 為輸入電壓） 。

2 交流斬波調(diào)壓的控制方式

在交流斬波調(diào)壓控制中， 主要有互補(bǔ)控制和非互補(bǔ)控制2 種方式?；パa(bǔ)控制， 就是在一個開關(guān)周期內(nèi)， 斬波IGBT 和續(xù)流IGBT 必須有且只有一個能導(dǎo)通。在電源工作中， 既不允許兩者同時導(dǎo)通而造成電源短路， 也不允許兩者同時關(guān)斷而造成負(fù)載電流開路， 而實(shí)際中IGBT 的開通和關(guān)斷總需要延時一段時間， 這就有可能會造成換流過程中2 個IGBT 同時導(dǎo)通。為了避免這種現(xiàn)象， 必須在開通和關(guān)斷信號之間加入死區(qū)時間， 避免出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。但加入死區(qū)間隔后， 又可能造成換相死區(qū)時間內(nèi)兩個IGBT 都不導(dǎo)通， 使負(fù)載開路， 在感性負(fù)載情況下， 容易造成瞬時電壓沖擊， 因此此種斬波方式不適合應(yīng)用于鈉燈照明這一感性負(fù)載場合。

而采用非互補(bǔ)式控制方式可以克服以上缺點(diǎn)， 其特點(diǎn)是正反相開關(guān)的工作方式可以分別控制， 可以使用于任何的負(fù)載。但當(dāng)負(fù)載是感性負(fù)載時， 電流將滯后電壓一個角度， 必然存在電壓與電流方向不一致的時刻， 此時刻負(fù)載通過電路向電源反饋無功電能， 這時電路輸出電壓不能再按照Uo = AUi 計算， 交流調(diào)壓輸出范圍也將較小。

為了消除這種電壓失控的現(xiàn)象， 本電路采用有電壓、電流相位檢測的PWM 斬波控制方案， 即通過輸出電流和電壓的狀態(tài)來決定控制信號的時序。則4 個IGBT 時序與電流、電壓的關(guān)系如圖2 所示。

圖中當(dāng)電壓大于零， 電流小于零時， 斬波IGBTV1關(guān)斷， V2 ， VF1導(dǎo)通， 如果續(xù)流IGBT VF2關(guān)斷時， 負(fù)載電流沿V2 和VD2 流向電源， Uo= Ui （Ui 為輸入電壓） ; 如果VF2 導(dǎo)通時， 電流沿VF2和VDF2續(xù)流， Uo= 0。

當(dāng)電壓小于零， 電流大于零時， 斬波IGBT V2 關(guān)斷， V1 ， VF2 導(dǎo)通， 如果續(xù)流IGBT VF1 關(guān)斷， 負(fù)載電流沿V1 和VD1 流向電源， U0 = Uin ， 如果VF1 導(dǎo)通時， 電流沿VF1和VDF1續(xù)流， Uo= 0。

因此從以上分析可知當(dāng)電壓和電流方向不一致時仍能滿足前面的調(diào)壓公式Uo = AUi 于是消除了調(diào)壓失控現(xiàn)象。

3 IGBT 驅(qū)動脈沖時序設(shè)計

交流調(diào)壓電源采用帶電流相位檢測的PWM 斬波方式， 即通過輸出電流和電壓的狀態(tài)來決定4 個IGBT控制信號的時序。本電源的主控制系統(tǒng)采用的是ARM 控制器 ， 因此電源的PWM 斬波信號可以由ARM 芯片產(chǎn)生， 時序分配電路用CPLD 實(shí)現(xiàn)， 從而可以使電路結(jié)構(gòu)簡化， 電路板元件和引線減小， 消除組合邏輯電路存在的競爭冒險， 時序分配框圖如圖3 所示。

電源輸出電壓U 和輸出電流I 經(jīng)過電壓、電流過零檢測電路處理變?yōu)楦叩妥兓拿}沖送CPLD 后與ARM 控制板發(fā)出的PWM 脈沖進(jìn)行邏輯運(yùn)算形成四路時序相互配合的IGBT 脈沖信號， 4 路脈沖再經(jīng)過IGBT 驅(qū)動與隔離電路后加到IGBT 的柵極， 控制IG2BT 的開通與關(guān)斷。斬波脈沖的占空比受ARM 控制，可以通過按鍵手動設(shè)置。

4 CPLD 所實(shí)現(xiàn)的邏輯電路和電路時序仿真

在本電源中4 路互相配合的帶電流檢測的非互補(bǔ)式驅(qū)動信號由CPLD 產(chǎn)生， CPLD 所實(shí)現(xiàn)的功能電路可以通過CPLD 的開發(fā)軟件Max + Plus ？ 根據(jù)4 路IGBT 驅(qū)動脈沖與輸出電壓、電流的相位關(guān)系編寫電路圖文件來實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

給輸入信號加上激勵信號后的波形如下圖5 所示（U， I 是電壓和電流信號且I 滯后U 一個角度， G 為PWM 脈沖f = 20 kHz） 從輸出信號V1 ， V2 ， VF1 ， VF2 之間的時序關(guān)系， 可以看出此電路滿足電壓、電流相位檢測的非互補(bǔ)控制方式的要求。

5 結(jié) 語

帶電流檢測的非互補(bǔ)式斬波控制方式由電壓、電流的極性決定， 實(shí)現(xiàn)形式較為復(fù)雜， 但優(yōu)點(diǎn)是電源的4 個IGBT 在工作工程中不會發(fā)生共通共斷問題， 不易失控， 換流過程有續(xù)流回路， 適合于大功率感性負(fù)載應(yīng)用場合。本城市照明節(jié)能電源采用此種斬波方式后， 通過帶阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載調(diào)試運(yùn)行正常， 調(diào)壓范圍滿足照明節(jié)能的實(shí)際要求， 工作穩(wěn)定。配合我所道路照明遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)， 可以很方便組成城市智能照明節(jié)電控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)城市照明能源的有效控制管理， 避免照明能源浪費(fèi)， 節(jié)約照明能源。

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