基于ARM的新型移相PWM控制方法及应用

1、仪器仪表 化工自动化及仪表,2006,33(4:6770Contro l and Instru m ents in Chem ical Industry 基于AR M的新型移相P WM控制方法及应用孟志强,陈燕东(湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082摘要: 提出一种基于ARM的新型移相全桥PWM控制方法。该方法采用ARM微处理器LPC2129的内定时器实现负载频率跟踪,内P WM控制器实现移相P WM输出,使逆变系统工作在准谐振状态,并完成功率调节。该控制方法在大功率介质阻挡放电臭氧电源中得到了实际应用。运行结果表明:臭氧电源的频率跟踪速度快、稳定可靠,该控制方法具有较强的实用性。关键

2、词: ARM;移相P WM控制;LPC2129;频率跟踪中图分类号:TM46;TN86 文献标识码:B 文章编号:1000 3932(200604 0067 041 引 言移相P WM控制方法是近年来在全桥变换电路拓扑中广泛应用的一种软开关控制方法13,它既具有常规P WM控制恒频的特点,又能在调功过程中实现ZCS或Z V S。在移相全桥P WM控制逆变电源中,普遍采用串联或并联电感或电容的方法对负载进行功率因数补偿,并采用频率跟踪技术跟踪负载电压或电流实现系统闭环控制和功率调节2,3。常用的频率跟踪技术有CD4046锁相环频率跟踪电路3和单片机实现的频率跟踪技术,前者虽然能实现负载频率的自动

3、跟踪,但存在着频率跟踪范围小、可靠性差、死区时间需用辅助电路实现等缺点;后者因单片机的主频限制,响应速度慢、实时性较差。本文提出了一种基于AR M的新型移相全桥P WM控制方法,利用ARM级芯片LPC2129的P WM 控制功能和定时器实现频率跟踪和移相P WM的4路驱动脉冲输出。该方法已在采用介质阻挡放电法2,3的大功率臭氧电源中得到了成功应用。2 LPC2129的定时器与P WM控制器LPC2129是基于16/32位AR M7TDM I的工业级芯片4,采用64脚封装,主频为60MH z,具有256 KByte的高速F lash、16KByte片内静态RAM、2个32位定时器、2路CAN和6

4、路P WM输出等。LPC2129的定时器对时钟周期进行计数,与DSP不同,若计数器TC在到达计数上限之前没被复位,它将一直计数到0XFFFFFFFF,然后翻转到0X00000000后继续计数,而且该事件不会产生中断。每个定时器有4个匹配寄存器,当发生匹配时会执行相应的匹配动作。每个定时器还包括4个捕获输入,通过配置捕获控制寄存器CCR,可在输入信号发生跳变时自动捕获定时器的瞬时值,并可选择产生中断。在电源处于自激工作状态时,为实时跟踪负载电流,选用定时器T0来完成负载电流的频率跟踪,在电流的反相过零点,捕获比较器出现一个上升沿跳变,产生捕获事件,捕获寄存器CR0自动装载此刻T0TC值,并产生捕

5、获中断。LPC2129有6路P WM输出,利用它的7个P WM匹配寄存器(M R0MR6,可实现6个单边沿控制或3个双边沿控制P WM输出,或这两种类型的混合输出。单边沿控制P WM输出在每个周期开始时总为高电平,除非输出保持恒定低电平。双边沿控制P WM输出可在一个周期内的任何位置产生边沿,这样可同时产生正和负脉冲。所有P WM输出都以相同的重复率发生,匹配寄存器M R0通过匹配时重新设置计数值来控制P WM周期,表1列出了P WM触发器的置位和复位输入。表1 P WM触发器的置位和复位输入P WM通道单边沿P WM(P WM SEL n=0双边沿P WM(P WM S EL n=1置位复位

6、置位复位1匹配0匹配1匹配0匹配12匹配0匹配2匹配1匹配23匹配0匹配3匹配2匹配34匹配0匹配4匹配3匹配45匹配0匹配5匹配4匹配56匹配0匹配6匹配5匹配63 新型移相P WM控制方法移相P WM控制是H型单相全桥逆变电路的常用控制技术,4路双边沿P WM输出分别用于驱动逆变桥臂的4个功率开关管,且要求上下桥臂的2路 收稿日期:2006 06 26(修改稿P WM 控制信号具有适当的死区间隔。利用ARM 处理器LPC2129的P WM 控制单元可实现4路死区时间可调的移相P WM 输出,但由于H 型单相全桥逆变器需4路双边沿P WM 输出,而LPC2129只能提供3路双边沿P WM 输

7、出。因此,设计中将一个周期T net 分为2.5个周期,采用混合输出方式实现P WM 移相控制,图1为基于混合输出方式的移相P WM 调 节示意图。图1 基于混合输出方式的移相P WM 调节示意图图1中i 为负载电流经整形后被跟踪的对应方波信号;V g1、V g2、V g3、V g4分别为逆变桥4个功率开关管的P WM 控制脉冲信号;V g3和V g4采用单边沿P WM 输出,分别对应LPC2129的P WM 5和P WM 6引脚;V g1和V g2采用双边沿P WM 输出,分别对应LPC2129的P WM 2和P WM 4引脚。在图1中,定时器T0通过外部捕获引脚CAP0.0来实时获取负载电

8、流的频率f 和反相过零点;MR 0用于设置每个P WM 的周期,其值为T net /2,匹配具体情况如下:前半周期:M R 0=T net /2;M R 1=T net /2- ;M R 2=M R 3=M R 6=0;M R 4=T net /2- -T d ;M R 5=T net /2-T d后半周期:M R 0=T net /2;M R 3=T net /2- ;M R 1=M R 4=M R 5=0;M R 2=T net /2- -T d ;M R 6=T net /2-T d其中, 为调节输出功率的移相角因子,可通过外部按键设置修改,也可通过上位机经CAN 工业控制总线远程设定修

9、改;T d 为上下桥臂间的死区时间,此处默认设置为T net /10,可通过软件修改实现死区时间随负载频率的变化而自动调节的目的。在实现P WM 的移相调制中,P WM 匹配寄存器的操作、捕获中断程序和匹配中断程序是三个关键技术。P WM 匹配寄存器:P WM 锁存使能寄存器P WM LER 用于控制P WM 匹配寄存器的更新。当对P WM 匹配寄存器执行写操作时,写入的值先保存在一个映像寄存器中,当P WM 匹配0事件发生时,如P WM LER 中对应位已置位,映像寄存器的内容将传送到实际的匹配寄存器中,新值生效,同时P WMLER 中的所有位都自动清零。在P WM LER 中相应位置位和P

10、 WM 匹配0事件发生之前,任何写入P WM 匹配寄存器的值都不会影响P WM 操作。捕获中断程序:该程序实现电流过零点的检测、逆变桥工作周期的读取以及P WM 输出的修正,从而实现对负载电流的频率跟踪。当CAP0.0捕获到负载电流反相过零点对应的上升沿跳变时,捕获寄存器CR 0自动装载此刻计数器T0TC 值,同时产生一个捕获中断:先复位计数器T0TC ,使其重新开始计数,然后读取CR0的值,将该值与周期值寄存器T net 进行比较,若不相同,则写当前值进入周期寄存器中,然后停止P WM 计数,将半周期值T net /2写入M R0(P WM 周期,并根据新周期修改MR 1M R 6的值,向P

11、 WM LER 中写对应的锁存置位字,复位P WM 计数器,最后使能P WM 输出,从而实现零电流开启。若相同,则不执行该修正过程。匹配中断程序:为实现一个周期内对两次P WM 匹配值的修改,利用定时器T 0的2个匹配寄存器T0MR 0和T 0MR 1与T0TC 发生匹配时产生的匹配事件0和匹配事件1两个中断来设置逆变桥的另半个周期P WM 输出。其中,T 0MR 0设为T net /4,T0MR 1设为3T net /4,当发生T0匹配事件0中断后,在中断程序中,将新值写入P WM 的M R1M R6中,再写P WM LER,使相应位置位。发生T 0匹配事件1的中断和匹配事件0相似。4 移相

12、P WM 在臭氧电源中的实现DBD 型臭氧发生器电源系统框图见图2,主要由整流电路、逆变电路、隔直电容、中频变压器、补偿电感和DBD 型臭氧发生器组成。整流电路采用三68 化工自动化及仪表 第33卷相桥式不可控整流电路,滤波电感L d 起抑制浪涌电流及平波的作用。K 1用在停机或保护电路动作时,使滤波电容C 上贮存的能量通过电阻R 1快速释放掉。全桥逆变器由4个I GBT 构成:在移相P WM 控制方式下,VT 3和VT 4为基准桥臂,VT 1和VT 2为移相桥臂。L S 为补偿电感,与发生器负载等效电容构成串联谐振回路。LPC2129控制整个电源系统的运行,并实现软件的频率跟踪及移相P WM

13、 输出,选用EXB841芯片构成I GBT 的优化驱动电路5 。图2 臭氧电源及其控制系统由文献2可知,在不击穿发生器介质层的电压范围内,负载电流近似正弦电流。因此,串联谐振式臭氧电源可视为用正弦电流向发生器供电,因而控制策略选用电流闭环控制,使负载电流和逆变电路基准桥臂触发脉冲同频同相位,并通过改变移相角 来实现功率自动调节。为了在臭氧发生电源中实现移相P WM 控制,需用过零检测电路将正弦形负载电流变换成方波信号。为了提高抗扰能力及检测快速性,采用过零检测滞环比较器来实现负载电流频率和相位的实时跟踪,如图3(a所示。电流霍尔传感器检测到的电流信号,通过取样电阻R 1引入控制电路。二极管D

14、1和D 2构成限幅电路,以防反馈信号过大而损坏运放。当电流正向过零时,因A 点电压V A >0,L M 319输出高电平,随着电流继续增大,反相输入端电压逐渐增大,当达到V A 时,L M 319输出低电平,使得A 点电压钳位为0,此后,只要电流为正,L M 319输出均保持高电平;当电流反相过零时,L M 319输出高电平。由此得到图3(b所示的矩形波信号,该信号经高速光耦6N 136隔离后,送往LPC2129的定时器T 0的捕获引脚CAP0.0。5 实验结果图4分别给出了不同移相角下基准臂VT 3和对应移相臂VT 1管的驱动信号。图4(a为 =0 时,两管的驱动信号波形,图4(b为

15、=90 时,两管的驱动信号波形。由图4可知,LPC2129实现了移相P WM 输出。大量实验结果表明:该臭氧电源能稳定可靠地工作在感性准谐振状态下,并可通过改变移相角 来实现Z V S 、ZCS 下的移相功率调节,电源系 统具有高功率因数。图3 过零检测电路及其波形输出6 结 论本文采用LPC2129微处理器的P WM 控制功能和定时器,提出了一种新型移相P WM 控制方法。该技术能跟踪负载电流频率的变化,使电源工作在准谐振状态,并实现了移相功率可调。相比以往P WM 控制,4路P WM 输出的死区时间T d 可随频率变化而自动可调,避免了以往因死区时间无法调节而导致I GBT 直通的现象,并

16、保证了软开关的实现。69 第4期 孟志强等.基于AR M 的新型移相P WM 控制方法及应用该技术已在臭氧电源系统中得到了成功的应用,电源的运行结果表明:该控制方法的频率跟踪速度快、可靠, 具有较强的实用价值。(a =0 (b =90图4 不同移相角下的VT 3和VT 1管驱动波形参考文献:1 CHO J G.Zero Voltage and Zero Cu rrent Sw itch i ng Fu llB ri dgeP WM C onverter f or H i gh Pow er Appli cati on sJ.I EEE T ran s acti on s on Pow er E

17、 lectron ics(S0885 8993,1996,11(4:622 627.2 孟志强.大功率介质阻挡放电臭氧发生电源的关键技术研究与实现D.长沙:湖南大学,2005.3 李彦锋,陶海敏,黄玉水,等.介质阻挡放电负载电路中的频率跟踪技术J.高电压技术,2002,28(7:13 14.4 周立功,等.AR M 嵌入式系统基础教程M .北京:北京航空航天大学出版社,2005.5 陈燕东,孟志强,周华安.臭氧电源驱动保护电路的设计与实现J.电源技术应用,2005,8(10:32 36.Novel Phase shifte d P WM Con t rolM et hod and ItsApp

18、 lication Base d on ARMMENG Zhi qiang ,C HEN Y a n dong(College o f E lectrical and Inf or mation Engineering,H unan Universit y,Changsha 410082,China Abstract :Based on t he AR M m icroco mputer LPC2129,a novel m ethod of phase shifted full bridge P WM control is developed .LPC2129!s tm i ers are a

19、dopted to realize the load frequency traci ng by wh i ch the c onverter worked i n ap proxm i ate resonance .T he t m i ers and the P WM controller of LPC2129are co mb i ned to realize the phase shifte d full bri dge P WM outputs to adjust po w er .The controlm ethod has practically bee n applied to

20、 a h i gh po w er supply of DBD ozonizer .The experm i e ntal result sho w s that t he syste m r uns stead ily and reli ably ,and the m ethod possesses stronger practicability .K ey words :AR M;phase shifted P WM contro;l LPC2129;frequency tracing (上接第63页化液相转变、黏度等因素对原油含水率预测的影响。而且,改进的神经网络分段预测模型在很大程度上

21、提高了拟合精度,并得到足够准确的预测结果,且具有网络结构简化、收敛速度快,泛化能力强的特点,是一种比较好的原油含水率预测模型。7 结 论(1基于样本矩阵非线性变换与最小二乘结合,建立原油含水率多元非线性回归模型,稳健性明显优于多元线性回归模型。(2基于L M 算法的原油含水率神经网络模型具有较强的非线性映射能力,对多传感器数据融合处理效果良好,拟合精度和预测精度较高,优于多元非线性回归模型。(3原油含水率分段预测模型,其效果优于统一模型。尤其是改进的神经网络分段预测模型具有很好的拟合精度和预测效果,且具有网络结构简化、收敛速度快,泛化能力强的特点,是一种比较好的原油含水率预测模型。参考文献:1

22、 黄正华,黄文霞.石油产品含水率谐振技术取样测定法J.油气田地面工程,2001,20(2:45 46.2 杨欣荣.智能仪器原理、设计与发展M .长沙:中南大学出版社,2003.3 梁逸曾,俞汝勤.化学计量学M .北京:高等教育出版社,2003.4 董长虹.神经网络与应用M .北京:国防工业出版社,2005.5 李俭川,秦国军,温熙森,等.神经网络学习算法的过拟合问题及解决方法J.振动、测试与诊断,2002,22(4:260 264.R esearch i n t o Prediction M odel ofW ater Content in Crude O il Based on M ulti

23、 se nsor TechnologyZ HANG D ong zh,i X I A Bo ka,i ZENG Lei l e,i REN Dong ya n(College o f Infor mation and Control Eng i neeri ng,China Universit y of Petroleum,D ony i ng 257061,Chi naAbstract :U si ng mult i se nsor tec hnology ,so me para m eters affecti ng t hem easure m e nt o fw ater content of cr ude oil are m easured ,and predicti on m odels of water content o f cr ude o il based on the m ethods of mu