最經(jīng)典的功率因數(shù)控制器設(shè)計方案，完整硬件框圖

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進展情況

項目名稱：基于FPGA的功率因數(shù)控制器

項目的主要內(nèi)容：為了進一步提高電源功率因數(shù)和降低對電網(wǎng)造成的諧波污染，各種拓撲結(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）技術(shù)已經(jīng)成為電力電子技術(shù)研究的熱點之一。開發(fā)一款通用的功率 項目主要的控制算法部分用硬件描述語言實現(xiàn)，并做成控制模塊添加到FPGA系統(tǒng)中。在軟件設(shè)計部分，采用μC/OS-II進行多任務(wù)調(diào)度來實現(xiàn)PC機的人機界面控制、本地調(diào)試和遠程控制接口的通訊等。

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點的論述；

項目的關(guān)鍵技術(shù)：首先是浮點數(shù)運算，還有流水線設(shè)計以及模塊的分時復(fù)用等。

創(chuàng)新點：傳統(tǒng)的PFC數(shù)字控制器都是基于DSP的，本項目用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DSP芯片。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

由于PFC模擬和傳統(tǒng)的DSP控制已經(jīng)大量應(yīng)用，故項目的理論基礎(chǔ)是很成熟的。但由于以PFGA系統(tǒng)級的設(shè)計作為PFC的手段，在市面上幾乎沒有，所以用FPGA設(shè)計PFC具有前瞻性的意義。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

功率電路選用Boost升壓型拓撲。

控制電路采用CCM（電感電流連續(xù)）的平均電流控制法。

圖3-1 PFC原理框圖

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，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的首要任務(wù)；電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的第二個任務(wù)。具體過程是：輸出電壓分壓后與參考電壓比較，然后經(jīng)電壓控制器處理，得到電壓控制信號；電壓控制信號與輸入整流后的電壓值相乘，得到電流的基準信號，此基準信號中不僅包含了調(diào)節(jié)輸出電壓的信號成分，而且也包含電流所要跟隨的正弦信號成分；輸入電流與基準信號比較后輸入電流控制器，得到一個輸出為電壓占空比的信號，此信號通過PWM發(fā)生器驅(qū)動開關(guān)管通斷。

圖3-2 PFC數(shù)字控制原理框圖

2.需要的開發(fā)平臺

提高高頻電源的功率因數(shù)

這也是PFC的目的所在。PFC的首要任務(wù)：利用校正電路將沿正弦波曲線的上升和下降的不同輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的，比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。第二個任務(wù)：檢測輸入電網(wǎng)的電流并使它變?yōu)榕c輸入電網(wǎng)的電壓同相位的正弦波。

人機界面監(jiān)控以及本地調(diào)試和遠程控制

通過人機界面，設(shè)定各種控制參數(shù)就可以對高頻開關(guān)電源進行FPC的實際監(jiān)控和測試。在進行測試時，由于電源是在現(xiàn)場（本地），而監(jiān)控測試可能在遠地，這時本地和遠地的通訊就尤為重要，所以要進行通訊的設(shè)計。

需要的器件

A/D、D/A能采樣1MHz的中頻信號，精度8-10位以上；DSP功能強勁；支持MicroBlaze和PowerPC；SRAM等。

所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺，簡述為什么需要此平臺

設(shè)計之初選擇使用Altera DE2開發(fā)平臺，擴展板AD、DA自行研發(fā)，驗證簡單的數(shù)據(jù)采集和通信的功能。最終將選擇Xilinx Virtex II Pro開發(fā)平臺。理由：設(shè)計之初選擇Altera DE2板的目的是證明本參賽組對基于FPGA的數(shù)字電路設(shè)計及其應(yīng)用上具有參賽實力。但由于其平臺不具有商業(yè)化的操作，最終選擇Xilinx Virtex-II Pro開發(fā)平臺是因為項目屬于計算機架構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用， 唯Virtex-II Pro XC2VP30能夠滿足該設(shè)計要求。

是否需要其它配套的開發(fā)工具

需要配套的調(diào)試和下載工具

2.方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

電流環(huán)控制算法

為了達到功率因數(shù)校正的目的，使輸入電流跟蹤輸入電壓。就必須進行電流環(huán)的設(shè)計。如圖3-3所示。

輸入電流經(jīng)過ADC采樣后，將數(shù)據(jù)送入加法器和除法器中，得到平均電流。電壓環(huán)的輸出信號與輸入的采樣電壓相乘后得到參考電流。比較器經(jīng)過比較兩個電流的大小。輸出方波信號控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，當(dāng)平均電流等于參考電流時，開關(guān)管關(guān)斷，然后在下一個開關(guān)周期開始的時候在讓開關(guān)管導(dǎo)通，繼續(xù)采樣電壓和電流。

圖3-3 電流環(huán)控制框圖

電壓環(huán)控制算法

電壓環(huán)的控制部分采用PI控制算法。由于此算法有許多明顯的優(yōu)點，如系統(tǒng)穩(wěn)定，控制方便，算法易于設(shè)計等等。

圖3-4 電壓環(huán)控制框圖

3.系統(tǒng)最終要達到的性能指標(biāo)

PF至少達到95%以上。

能實現(xiàn)本地和遠程控制。

需要的其它資源

1.設(shè)計輸入輸出功能子板

完成數(shù)據(jù)采集與反饋控制的AD、DA擴展板，自行研制，07年11月以前驗收。

2.測試設(shè)備

直流穩(wěn)壓電源、萬用表、示波器、頻譜儀、矢量信號分析儀等。

3.方針、開發(fā)工具

MATLAB、EDK、ModelSim、Xilinx ISE等，其他的開發(fā)工具自行解決。