基于Nios II的Boost型功率因數(shù)校正系統(tǒng)研究

摘要：分析了基于雙環(huán)Boost型功率因數(shù)校正(PFC)的控制原理及小信號(hào)模型，建立了基于PI調(diào)節(jié)的Boost型PFC控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)可將Nios II軟核處理器及PWM等外設(shè)集成到系統(tǒng)主控芯片，從而使系統(tǒng)具有控制精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于Nios II的Boost-PFC硬件電路，并搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)校正后的功率因數(shù)高，達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；數(shù)字控制；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

1 引言
PFC技術(shù)是減小諧波污染問題的有效方法之一。將PFC技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的PFC控制系統(tǒng)，已成為電力電子技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。隨著微電子和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的提高，多數(shù)集成電路設(shè)計(jì)已進(jìn)入片上可重構(gòu)系統(tǒng)時(shí)代，從而使計(jì)算機(jī)進(jìn)入微控制領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)。在此基礎(chǔ)上，新型電力電子功率器件不斷出現(xiàn)，使得采用全控制的開關(guān)功率元件進(jìn)行PWM控制方式成為主流。傳統(tǒng)PWM控制大多采用單片機(jī)及高性能的DSP來實(shí)現(xiàn)，但由于單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算功能等條件有限，使其在實(shí)現(xiàn)高效控制算法等方面遇到了困難。而DSP需要使用大量的外圍電路，并且系統(tǒng)的可升級(jí)性較差。
EDA技術(shù)不斷發(fā)展，使得基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)為PFC系統(tǒng)的控制提供了一種新的有效方法。該方法就是在PFC系統(tǒng)中，將Nios II及PWM等外設(shè)集成到系統(tǒng)主控芯片EP2C8Q208C8型FPGA內(nèi)，使得系統(tǒng)體積更小，成本低，可靠性高，更適合嵌入式系統(tǒng)的要求，而且具有現(xiàn)場(chǎng)可編程性，能夠進(jìn)行升級(jí)換代，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 Boost型功率因數(shù)校正系統(tǒng)原理及建模
2．1 系統(tǒng)總體控制方案
Boost PFC電路是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的有源PFC電路，具有功率因數(shù)值高，總諧波失真小，效率高的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用平均電流控制方式，工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小，應(yīng)用FPGA數(shù)字芯片，其相對(duì)較復(fù)雜的控制也能較好地實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)控制策略，系統(tǒng)需檢測(cè)整流輸入電壓Uin，輸入電感電流Iin和直流輸出電壓Uo。瞬時(shí)信號(hào)Uin，Iin，Uo分別從主電路上得到檢測(cè)，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送至AD7874的3條A／D轉(zhuǎn)換通道。經(jīng)過數(shù)字化采樣后的Uo信號(hào)與輸出參考電壓信號(hào)Uref進(jìn)行比較，信號(hào)差送入電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。該環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的輸出與Uin采樣值相乘，生成電流內(nèi)環(huán)所必需的參考電流值Iref。Iin經(jīng)數(shù)字采樣后，與Iref進(jìn)行比較，運(yùn)算結(jié)果送入電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器。該P(yáng)I調(diào)節(jié)器輸出送入PWM比較器，與三角波信號(hào)比較產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)的占空比，最后通過驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)電路的PFC，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．2 Boost PFC模型建立
為實(shí)現(xiàn)Boost PFC的雙環(huán)PI數(shù)字控制，系統(tǒng)采用簡化的小信號(hào)模型建模。要得到Boost變換器的小信號(hào)模型，首先要得到平均法模型，然后進(jìn)行小信號(hào)擾動(dòng)分析。先分別對(duì)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)的電感電壓和開關(guān)S關(guān)斷時(shí)的電容電流進(jìn)行積分，再除以周期Ts，即可得到它們?cè)谝粋€(gè)Ts內(nèi)的平均模型，加入擾動(dòng)并忽略高階項(xiàng)，可得該電路的動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型為：

式(2)中第1式中d(s)Uo，(1-D)uo(s)，量很??；式(2)中第2式中d(s)I，(1-D)i(s)量很小，將其忽略，即可得到電感電流和輸出電壓對(duì)脈寬變化的傳遞函數(shù)：

此處電壓環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)均采用經(jīng)典PI調(diào)節(jié)器，其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，將式(3)兩式進(jìn)行Z變換可分別得到電流和電壓環(huán)的離散數(shù)學(xué)模
型，由此可根據(jù)系統(tǒng)要求分別求出電流環(huán)PI參數(shù)和電壓環(huán)PI參數(shù)。用VHDL語言在FPGA中編寫PI控制器程序，由于其軟件設(shè)計(jì)的靈活性，PI調(diào)
節(jié)參數(shù)能不斷得到修正和改進(jìn)。

3 基于NiosⅡ的Boost-PFC硬件電路
主電路采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為輸入電流連續(xù)，傳導(dǎo)噪聲低及良好的輸入波形。在主電路中，電流和電壓檢測(cè)采用霍爾元件實(shí)現(xiàn)，經(jīng)處理后送入A／D采樣單元。驅(qū)動(dòng)電路采用TLP250實(shí)現(xiàn)主電路與FPGA之間的隔離，保證了功率器件的可靠關(guān)斷。
3．1 NiosⅡ嵌入式硬件系統(tǒng)構(gòu)建
EP2C8Q208C8型FPGA資源配置豐富，在該芯片上可嵌入Nios II軟核處理器。實(shí)驗(yàn)證明嵌入的Nios II軟核主頻可平穩(wěn)運(yùn)行在120 MHz，可滿足PFC系統(tǒng)要求。
實(shí)驗(yàn)采用QuartusII 9．0作為硬件開發(fā)平臺(tái)，利用SOPC Builder工具構(gòu)建Nios II嵌入式硬件系統(tǒng)，SOPC Builder允許用戶選擇和自定義系統(tǒng)模塊的各個(gè)組件和接口。用戶可以很方便地將處理器、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)模塊連接起來，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在此先后將CPU，SDRAM模塊和EPCS控制器等IP核添加到系統(tǒng)中，從而構(gòu)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Nios II最小系統(tǒng)。
最小系統(tǒng)建立后，根據(jù)PFC系統(tǒng)要求，還需定制PWM外設(shè)。在PFC系統(tǒng)中，系統(tǒng)經(jīng)A／D前端處理及A／D轉(zhuǎn)換后送入Nios II中進(jìn)行運(yùn)算，其輸出再經(jīng)過PWM比較器加到驅(qū)動(dòng)電路上，以控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，從而使輸入電流的波形與輸入電壓波形基本一致，使電流諧波減少，提高了輸入端的功率因數(shù)。在自定制PWM外設(shè)時(shí)，先用VHDL語言編寫PWM外設(shè)文件，編寫完畢后對(duì)代碼進(jìn)行編譯和仿真。
驗(yàn)證正確后，將其加入SOPC Builder中，做為Avalon外設(shè)，之后SOPC Builder生成整個(gè)Nios II嵌入式硬件系統(tǒng)。用Quartus II軟件編譯SOPC硬件系統(tǒng)，生成FPGA的配置文件，將其下載到開發(fā)板中的串行電可擦除Flash存儲(chǔ)芯片中，便完成了系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。
3．2 A／D采樣控制電路
在PFC系統(tǒng)中需采樣輸入電壓、輸入電流和輸出電壓3路實(shí)時(shí)信號(hào)，故需要3通道A／D轉(zhuǎn)換器，而AD7874是4通道12位同步數(shù)據(jù)采集器，其特性可滿足該系統(tǒng)要求，故選擇AD7874作為采樣控制器。在A／D采樣控制中，用Nlos II作為主處理器，主要完成數(shù)據(jù)和信息的收集和轉(zhuǎn)發(fā)功
能，用FPGA對(duì)采集的信號(hào)做預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速FIFO中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集和目標(biāo)提取，A／D采樣電路框圖如圖2所示。

4 軟件系統(tǒng)
系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后，在Nios II 9．0 IDE軟件的開發(fā)環(huán)境中編寫系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用軟件，系統(tǒng)嵌入式軟件流程如圖3所示。

該系統(tǒng)中，Nios II程序的任務(wù)是在規(guī)定的控制周期內(nèi)，通過預(yù)先設(shè)定的值得到控制任務(wù)及控制參數(shù)，同時(shí)接收A／D采樣控制電路的反饋信號(hào)，再經(jīng)過CPU計(jì)算和處理后得到糾正的PWM控制參數(shù)并傳達(dá)給PWM模塊，最后由PWM模塊輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)以實(shí)現(xiàn)PFC系統(tǒng)的閉環(huán)PWM控制。

5 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過控制分析和參數(shù)確定，對(duì)用EP2C8Q208C8型FPGA作為主控芯片的數(shù)字功率因數(shù)校正器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)交流輸入電壓為220 V／50Hz，功率器件開關(guān)頻率為30 kHz，輸出電壓經(jīng)升壓后為380 V。用示波器分別測(cè)量了校正前、后的波形，結(jié)果如圖4所示?？梢?，輸入電流無論是波形還是相位都基本跟蹤了輸入電壓波形，功率因數(shù)達(dá)到0．98以上，得到了較為滿意的結(jié)果。

6 結(jié)論
此處主要圍繞PFC的數(shù)字化控制進(jìn)行了研究，著重介紹了平均電流型Boost PFC電路，建立了平均電流控制電壓環(huán)、電流環(huán)的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型，提出了設(shè)計(jì)思路，并設(shè)計(jì)了基于片上系統(tǒng)的數(shù)字控制方案，完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制作。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制精度高，功率因數(shù)值達(dá)到0．98以上，滿足了理論設(shè)計(jì)的要求，并驗(yàn)證了此數(shù)字控制方案的可行性。
基于Nios II設(shè)計(jì)的PFC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期短，集成度高，靈活性大，維護(hù)和升級(jí)方便，硬件缺陷修復(fù)和排除簡單，具有很好的移植性，用戶可根據(jù)需要對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行修改。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用嵌入式對(duì)PFC系統(tǒng)進(jìn)行控制是一種新發(fā)展趨勢(shì)。