功率因數(shù)校正(PFC)的數(shù)字控制方法
關(guān)鍵詞:數(shù)字控制;數(shù)字信號處理器;功率因數(shù)校正;開關(guān)電源
引言
電力電子產(chǎn)品的廣泛使用,對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。這使得功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)成為電力電子研究的一個熱點。功率因數(shù)校正的目的,就是采用一定的控制方法,使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓,功率因數(shù)接近為1。傳統(tǒng)上,模擬控制在開關(guān)電源應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1]。隨著高速度,廉價的數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn),在開關(guān)電源中使用數(shù)字控制已成為發(fā)展的趨勢[2][3][4][5][6]。
本文對實現(xiàn)PFC的模擬控制方法和數(shù)字控制方法進行了比較,介紹了采用數(shù)字控制的獨特優(yōu)點。詳細討論了采用數(shù)字信號處理器作為控制核心時的設(shè)計事項和方法。
1 PFC模擬控制和數(shù)字控制的比較
功率因數(shù)校正的模擬控制方法已經(jīng)使用了多年,也有現(xiàn)成的商業(yè)化集成電路芯片(比如TI/Unitrode的UC3854,F(xiàn)airchild的ML4812,STmicroelectronics的L6561等)。圖1(a)是基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。電路采用平均電流控制方式,通過調(diào)節(jié)電流信號的平均幅度來控制輸出電壓。整流線電壓和電壓誤差放大器的輸出相乘,建立了電流參考信號,這樣,這個電流參考信號就具有輸入電壓的波形,同時,也具有輸出電壓的平均幅值。PFC的模擬控制方法簡單直接。但是,控制電路的元器件比較多,電路適應(yīng)性差,容易受到噪聲的干擾,而且調(diào)試麻煩。因此,模擬控制有被數(shù)字控制取代的趨勢。
圖1(b)是PFC的數(shù)字控制原理框圖。類似于模擬方法,使用了兩個控制環(huán)路:電壓環(huán)和電流環(huán)。電壓環(huán)通過調(diào)節(jié)平均輸入電流來控制直流總線電壓,電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓??刂七^程由DSP完成,通過DSP的軟件來實現(xiàn)電流和電壓的調(diào)節(jié)。
數(shù)字控制方法具有以下幾個優(yōu)點:
1)通過軟件調(diào)整控制參數(shù),比如,增益和帶寬,從而使系統(tǒng)調(diào)試很方便;
2)大量控制設(shè)計通過DSP來實現(xiàn),而用模擬控制器是難以實現(xiàn)的;
3)在實際電路中,使用數(shù)字控制可以減少元器件的數(shù)量,從而減少材料和裝配的成本;
4)DSP內(nèi)部的數(shù)字處理不會受到電路噪聲的影響,避免了模擬信號傳遞過程中的畸變、失真,從而控制可靠;
5)如果將網(wǎng)絡(luò)通信和電源軟件調(diào)試技術(shù)相結(jié)合,可實現(xiàn)遙感、遙測、遙調(diào)。
數(shù)字控制器包括一個電流環(huán)和一個電壓環(huán)。對于電流環(huán),將指令輸入電流減去輸入電流iL,n所得的電流誤差ie,n輸入到電流環(huán)數(shù)字PI控制器。最后,將控制器輸出的占空比Dn輸入到PWM產(chǎn)生單元,控制開關(guān)S的通斷。對于電壓環(huán),PFC變換器的輸入電導(dǎo)期待值ge,n與輸入電壓vin,n相乘,得到指令輸入電流iL,n*。
2 數(shù)字控制的實現(xiàn)
在實現(xiàn)一個電力電子系統(tǒng)的實際數(shù)字控制器時,需要考慮大量的因素,比如,控制處理器的選擇,采樣算法和采樣頻率的確定,PWM信號的產(chǎn)生,控制器和功率電路之間的連接,硬件設(shè)計和控制算法的軟件實現(xiàn)等。這些因素都會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大影響,需要細心設(shè)計和實際實驗。
在設(shè)計控制系統(tǒng)時,微處理器的選擇需要考慮很多的因素,諸如功能,價格,硬件設(shè)計的簡單性和軟件支持等?,F(xiàn)在,已經(jīng)有多種內(nèi)嵌有PWM單元和A/D轉(zhuǎn)換等控制外設(shè)的DSP芯片可供選擇(比如TI的TMS320C2XX系列,AD的ADMCXXX系列,Motorola的DSP56800等)。以TI公司的TMS320C2XX系列為例,它擁有很多良好的特性,比如,多個獨立可編程的時鐘,50ns指令周期,16位并聯(lián)乘法器,兩通道多路復(fù)用的10位A/D轉(zhuǎn)換器,還有片內(nèi)RAM和EEPROM等。這使得它成為實現(xiàn)功率變換系統(tǒng)數(shù)字控制的首選。如果需要進一步降低成本,可以選擇STmicro?controller的8位DSPST52x420。
在設(shè)計數(shù)字控制器時,選擇合適的采樣頻率起著重要的作用,因為,采樣頻率直接影響到可完成的功能和數(shù)字控制系統(tǒng)的可靠性,因此,它應(yīng)該在合成控制器之前確定。對于更高的系統(tǒng)帶寬要求,應(yīng)該使用更高的采樣頻率。然而,采樣頻率的提高也對字長和數(shù)字控制器的計算速度提出了更高的要求。工程設(shè)計的目標(biāo)總是使用更低的采樣頻率來達到給定的設(shè)計要求。
由于Boost變換器的輸入電流含有大量諧波。因此,采樣頻率必須遠高于開關(guān)頻率,輸入電流才能不失真地還原。由于開關(guān)頻率已經(jīng)很高(>20kHz),要采用更高的采樣頻率是困難的,而且,處理器也來不及處理相應(yīng)的控制計算任務(wù)。而使用比較低的頻率將產(chǎn)生頻譜重疊。雖然可以在A/D轉(zhuǎn)換前加入前置濾波,但是,這樣又需要更高的帶寬。因此,采樣頻率選擇與開關(guān)頻率同步,這樣,開關(guān)紋波就成為隱性振蕩,不會在還原信號中出現(xiàn)。這種采樣方法在一個周期中只采樣一次,稱為SSOP(singlesamplinginoneperiod)方法。采用這種采樣方法時,有一個采樣點確定的問題。電感電流在開關(guān)的瞬間存在電流尖峰,如圖3所示。顯然,應(yīng)該避免在開關(guān)點進行采樣,否則系統(tǒng)將不能正常工作。在PFC應(yīng)用中,輸入電流必須跟蹤輸入電壓,而且輸出電壓要保持恒定,PWM信號將在一個大的范圍內(nèi)變動,因此,這個問題變得更加突出。
2.3 PWM信號的產(chǎn)生
為了敘述方便,定義一個開關(guān)周期的起點p,如圖6所示。對大多數(shù)數(shù)字PWM單元來說,占空比的值應(yīng)該在開關(guān)周期開始之前裝載入寄存器,因此,控制變量的采樣應(yīng)該在p點之前準(zhǔn)備好,以便控制算法的計算及時完成。這里采用平均電流控制,選擇采樣點,得到每個開關(guān)周期的輸入平均電流測量值。
理想的采樣點si和實際采樣點sr之間有一個時間延遲τd。τd由兩個原因造成,一個是在信號鏈中低通濾波器產(chǎn)生的相移,另一個是開關(guān)S的開關(guān)指令和實際開關(guān)動作之間的延遲。這樣,留給處理器完成控制計算的時間就是τc。延遲τd和計算時間τc共同決定了反饋環(huán)路的延遲。
式中:Ts為開關(guān)周期。
使用頂點規(guī)則采樣PWM方法產(chǎn)生開關(guān)指令。如圖7和圖8所示。對于輸入信號u在平衡值附近的小偏移,頂點規(guī)則采樣PWM的響應(yīng)可以描述為
|gPWM(jω)|=cos(ωTo) (2)
∠gPWM(jω)=wTs/2 (3)
式中:To是穩(wěn)態(tài)時開關(guān)導(dǎo)通時間的一半。
因為,期望的電流環(huán)的帶寬在1kHz到10kHz之間(開關(guān)頻率為50kHz),PWM的增益趨于統(tǒng)一。因此,頂點規(guī)則采樣PWM的傳輸函數(shù)可以近似為
2.4 電流環(huán)和電壓環(huán)的數(shù)字PI控制器
電壓環(huán)和電流環(huán)都包括PI控制器。參看圖1,一個數(shù)字PI控制器可以表達為
un=A0xn+A1xn-1+un-1 (5)
或者
gPI(z)=U(z)/X(z)=(A0z+A1)/(z-1) (6)
等效模擬控制器的傳輸函數(shù)是
gPI(s)=U(s)/X(s)=KPI(1+1/stPI) (7)
因為采樣頻率有限,當(dāng)一個模擬轉(zhuǎn)換函數(shù)采樣生成離散時間函數(shù)時,如果模擬函數(shù)包含了頻率高于1/2采樣頻率的分量,會發(fā)生重疊效應(yīng),如圖9所示。
s=2/Ts(z-1)/(z+1) (8)
那么數(shù)字控制器的參數(shù)A0和A1和模擬等效參數(shù)KPI和τPI的關(guān)系為
3 結(jié)語
在功率因數(shù)校正領(lǐng)域,模擬PFC控制是當(dāng)前的工業(yè)選擇,數(shù)字控制是今后的發(fā)展方向。將DSP控制應(yīng)用到功率變換器中有很多優(yōu)點,比如降低了元器件數(shù)量和成本,適應(yīng)性好,產(chǎn)品升級方便,開發(fā)周期短等。而且隨著數(shù)字控制器的廣泛應(yīng)用,成本有潛力變得更低。使用DSP實現(xiàn)數(shù)字控制,需要考慮處理器的選擇,采樣算法,PWM信號的產(chǎn)生,控制器的設(shè)計等多方面的因素。
由于DSP剛剛開始應(yīng)用于控制電源,對開關(guān)整流器件采用DSP控制的研究開展的還不多,使用DSP來控制電源也存在自身獨特的問題。相對于專用的集成芯片,DSP的價格高昂,而且成熟的控制算法難以獲得。有限的帶寬和采樣頻率,離散效果和處理延遲,這些因素的存在使得實時控制系統(tǒng)的功能需要折衷考慮。
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