采用直接PCF方法實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制解決方案

　　當(dāng)IEC31000-3-2在2001年變成強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，很多公司開始在設(shè)計(jì)中考慮采用功率因數(shù)校正(PFC)，這些產(chǎn)品包括照明設(shè)備、便攜式工具、所有的電子設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品、家用電器和工業(yè)設(shè)備等。該標(biāo)準(zhǔn)克服了注入公用主供電系統(tǒng)的諧波電流限制，適用于每相位擁有高達(dá)16A的輸入電流的電氣及電子設(shè)備，其目的是連接公用低壓配電系統(tǒng)。

　　如果不采用PFC，那么典型開關(guān)模式電源的功率因數(shù)約為0.6，因而會有相當(dāng)大的奇次諧波失真(第三諧波有時(shí)和基本諧波一樣大)。令功率因數(shù)小于1以及來自峰值負(fù)載的諧波減少了運(yùn)行設(shè)備可用的實(shí)際功率。為運(yùn)行這些低效率設(shè)備，電力公司必須提供額外的功率來彌補(bǔ)損耗。功率的增加將導(dǎo)致電力公司使用負(fù)載更重的供電線路或遭受中性導(dǎo)線燒壞的威脅。PFC的使用每年都在增加，特別是在很多公司共享市場的激烈競爭環(huán)境中。

　　PFC主要分為兩大類：有源和無源。無源PFC較便宜，但很難針對可變輸入電壓和可變負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。無源PFC電路較簡單，比有源PFC的組件更少，適合低于200W、僅有一個(gè)輸入電壓的低功率應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用的感應(yīng)器和電容器很小且便宜。

　　對于功率較高的應(yīng)用，它們的感應(yīng)器和電容器更大、更昂貴，因此，有源PFC就成為一種更經(jīng)濟(jì)高效的方法。無源PFC適合低功率、固定電壓、固定負(fù)荷的應(yīng)用。有源PFC則適用于中高功率需求的應(yīng)用，例如PC電源、UPS、電信設(shè)備和等離子顯示屏，在這些應(yīng)用中，無源PFC無法滿足系統(tǒng)要求(SMPS、HF鎮(zhèn)流器、轉(zhuǎn)換器、電池充電器等)。

　　另外兩種方案是模擬和數(shù)字PFC。傳統(tǒng)的模擬PFC控制器可提供多種控制算法，所需的額外組件較少。數(shù)字PFC可提供可比性結(jié)果，但更動(dòng)態(tài)的PFC能夠提供更優(yōu)的性能且更易于修改。

　　本文描述了飛思卡爾MC56F8013數(shù)字信號控制器(DSC)上面向PFC的平均電流模式控制。除了節(jié)省功率和滿足電流標(biāo)準(zhǔn)外，采用PFC還有其它各種原因。PFC可以減少諧波失真，諧波失真可能導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備中的工作溫度升高，而較高的溫度又可能縮短旋轉(zhuǎn)機(jī)器、電纜、變壓器、電容器、保險(xiǎn)絲、開關(guān)觸點(diǎn)和電涌抑制器等設(shè)備的使用壽命。諧波還會造成電容器和電纜上額外電介質(zhì)應(yīng)力，使得機(jī)械繞組和變壓器的電流以及眾多產(chǎn)品的噪音排放提高。這些問題還可能引發(fā)集膚效應(yīng)，帶來電纜、變壓器和旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的問題。所有這些因素都會影響電氣設(shè)備的可靠性、性能和老化速度。

　　盡管本文中描述的應(yīng)用是面向MC56F8013 DSC的，但根據(jù)應(yīng)用要求，也可以采用MC56F80xx系列的其它成員。本文中介紹的實(shí)現(xiàn)方案是一種全數(shù)字解決方案?？焖匐娏骱偷蛪夯芈凡捎肈SC進(jìn)行數(shù)字實(shí)現(xiàn)，PFC電源開關(guān)直接由DSC PWM輸出控制，因此，該方案被稱為直接PFC。直接PFC算法在平均電流控制持續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)下工作。

　　采用直接控制方法比間接解決方案需要更多的DSC資源，其中，PWM由外部硬件電路生成。另一方面，采用直接控制可以生成來自線路的純電流正弦波，并在輸入處獲得理想的電阻負(fù)荷值。直接PFC的另外一個(gè)優(yōu)勢是具有恒定晶體管交換頻率，從而可以減少噪音。

　　采用直接PFC可以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，因?yàn)檫@種控制算法簡單、快速。此外，不需要來自線路電壓的同步信號，比間接PFC需要的無源組件更少。該方案非常經(jīng)濟(jì)高效，適合于中(200~600W)、高功率(600W以上)應(yīng)用。DSC的高性能使得PFC和電機(jī)控制應(yīng)用可以并行運(yùn)作。本文描述了采用單旁路電流傳感的三相交流感應(yīng)矢量控制驅(qū)動(dòng)的PFC方案。

　　升壓轉(zhuǎn)換器作為主動(dòng)功率因數(shù)校正前置調(diào)節(jié)器被廣泛采用。控制結(jié)構(gòu)分為兩條回路：內(nèi)部電流控制回路和外部電壓控制回路(如圖所示)。外部電壓控制回路通過DSC中的軟件實(shí)現(xiàn)，在DC總線上保持恒定電壓。電壓控制回路采用比例-積分(PI)控制器，輸出定義PFC電流所需的幅度。PFC控制算法提供正弦曲線輸入電流，不需要通過DSC控制的專用PFC硬件，向相位轉(zhuǎn)移到輸入電壓。硬件集成了輸入整流橋DB、PFC電感L、PFC二極管D和PFC開關(guān)Q。這些模擬數(shù)值就是經(jīng)傳感整流的(sensed-rectified)輸入電壓、輸入電流DC總線電壓。輸入電流用PFC開關(guān)進(jìn)行控制，以達(dá)到理想輸入電流和理想DC總線電壓水平(UREQ)。

　　內(nèi)部電流回路和外部回路一樣，也通過軟件實(shí)現(xiàn)，它采用PI控制器通過直接控制PFC晶體管來保持正弦曲線輸入電流。PI控制器的輸入是基準(zhǔn)電流、IREQ和實(shí)際電流、IL之間的差值。IREQ的正弦曲線波形源自輸入電壓UDC RECT的波形(如圖所示)。將經(jīng)整流的輸入電壓波形與電壓控制器的輸出相乘，獲得最終基準(zhǔn)電流IREQ。電流PI控制器的輸出生成信號D，與開放回路中升壓轉(zhuǎn)換器的占空比相對應(yīng)。電流PI控制器的帶寬必須設(shè)置在8KHz以上，才能獲得足夠的響應(yīng)。因此，電流PI控制器算法必須至少每60μs執(zhí)行一次，這對DSC的性能提出了較低限制要求。電壓控制回路的DSC性能要求很低，這是因?yàn)殡妷嚎刂苹芈返膸挶辉O(shè)置在20Hz以下。因此，這部分PFC算法對DSC性能沒有太高的要求限制。

　　專用PFC硬件被設(shè)計(jì)為整個(gè)系統(tǒng)的一部分。PFC主板連同功率級和控制器主板構(gòu)成了一個(gè)緊湊的系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)三相AC/BLDC電機(jī)(包括PFC控制)。

　　該應(yīng)用符合以下性能規(guī)范：

　　硬件：MC56F8013/23控制器主板，PFC主板，三相AC/BLDC高壓功率級主板。
　　控制方法：內(nèi)部電流回路，外部電壓回路，基準(zhǔn)電流生成，RMS輸入電壓計(jì)算。
　　FreeMASTER軟件監(jiān)視器。
　　出錯(cuò)保護(hù)：DC總線過壓及電壓，過流保護(hù)，輸入電壓過壓及欠壓。

　　功率因數(shù)校正應(yīng)用通過控制PFC開關(guān)提供正弦曲線輸入電流。在控制回路中，將實(shí)際的DC總線電壓與期望電壓值進(jìn)行比較。控制誤差由PI控制器處理，后者生成基準(zhǔn)電流的振幅。輸入整流電壓乘以輸入整流RMS電壓和電壓控制器的輸出。相乘后得到的值是基準(zhǔn)電流，與分流電阻器上感應(yīng)到的實(shí)際電流進(jìn)行比較得到它們之間的差值，然后在PI電流控制器中進(jìn)行處理。該控制器的輸出是QuadTimer1的PWM信號，該信號直接開關(guān)PFC晶體管。

　　整個(gè)應(yīng)用由MC56F8013 DSC控制。這種低成本數(shù)字信號控制器為這類應(yīng)用提供了很多重要功能和外設(shè)。QuadTimer和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是這一應(yīng)用中最重要的外設(shè)。ADC被用于傳感模擬數(shù)值，QuadTimer被用于對控制算法定時(shí)、ADC取樣同步和控制信號生成。

　　整個(gè)PFC算法采用由QuadTimer1(QT1)生成的一種中斷程序來實(shí)現(xiàn)，該程序每31.25μs調(diào)用一次，對應(yīng)的頻率為32KHz。這一頻率足以生成正確的電流波形，但不會給DSC內(nèi)核加載超過必要部分的電流。電流回路在每次中斷時(shí)執(zhí)行，電流控制器采用遞歸算法以便快速實(shí)現(xiàn)。QuadTimer2(QT2)被用作A/D轉(zhuǎn)換器B和QT1生成的PWM信號之間的同步信號。A/D轉(zhuǎn)換器B同步信號(掃描開始)在on-time PWM信號的中點(diǎn)執(zhí)行，以測量平均感應(yīng)電流。ADC利用A/D轉(zhuǎn)換器B按照某種順序讀取輸入電路和輸入電壓，并使用A/D轉(zhuǎn)換器A按照另一種順序轉(zhuǎn)換輸出電壓。輸入電流每個(gè)QT1中斷(即31.25μs)傳感一次，輸入電壓和輸出電壓則每四個(gè)QT1中斷(即125μs)傳感一次。

　　所有數(shù)值在占空周期的中點(diǎn)進(jìn)行傳感。采用10Hz低通濾波器過濾輸入電壓，可以獲得RMS輸入電壓。PFC晶體管的交換頻率設(shè)置為32KHz，這種恒定的開關(guān)頻率簡化了輸入濾波器的設(shè)計(jì)。電流控制器的結(jié)果定義PFC晶體管的占空比。

　　PFC可以作為以AC電源為電源的各個(gè)系統(tǒng)的一部分。電機(jī)控制應(yīng)用采用交流電感應(yīng)電機(jī)和測速發(fā)電機(jī)。如果希望使用帶編碼器傳感器的電機(jī)，那么MC56F8013設(shè)備沒有足夠的定時(shí)器信道支持編碼器處理。用戶可能需要使用帶更多定時(shí)器的器件，例如MC56F8037 DSC。從MC56F8013到MC56F8037的軟件移植非常容易。

　　系統(tǒng)由三個(gè)主板組成：功率因數(shù)校正主板、三相AC/BLDC高壓功率器件主板和MC56F8013/23控制器主板。硬件和軟件實(shí)現(xiàn)如下所述：實(shí)施ACIM控制不需要任何其他硬件。配置和獨(dú)立PFC目的的配置相同，必須連接適當(dāng)電機(jī)。

　　應(yīng)用軟件是實(shí)時(shí)運(yùn)行的中斷驅(qū)動(dòng)型軟件。有三種周期性中斷服務(wù)程序執(zhí)行主要的電機(jī)控制和PFC任務(wù)：定時(shí)器3中斷服務(wù)程序執(zhí)行快速電流控制回路和PFC任務(wù)，在讀取第三個(gè)DC總線電流樣本時(shí)(125μs間隔)執(zhí)行；PWM重載中斷服務(wù)程序執(zhí)行快速電流控制回路和PFC任務(wù)，在每次PWM半重載時(shí)(31.25μs間隔)執(zhí)行；ADC信道A終止掃描中斷服務(wù)程序讀取DC總線電流樣本，當(dāng)一個(gè)PWM循環(huán)中出現(xiàn)三個(gè)連續(xù)樣本讀數(shù)時(shí)執(zhí)行。

　　此外，還有非周期性中斷服務(wù)程序。PWM故障中斷服務(wù)程序在過流事件發(fā)生時(shí)執(zhí)行，以管理過流故障情況。只有在出現(xiàn)故障情況時(shí)才執(zhí)行該程序。

　　后臺回路在應(yīng)用電源線上執(zhí)行。它管理非關(guān)鍵性的時(shí)間任務(wù)，如應(yīng)用狀態(tài)機(jī)和FreeMASTER通信輪詢。

　　PWM模塊被配置為以中央對齊(center-aligned)模式運(yùn)行。PWM_half_reload_sync信號在每個(gè)PWM半循環(huán)(31.25μs間隔)時(shí)生成。PWM_half_reload_sync被連接到定時(shí)器模塊。定時(shí)器信道3的輸出用于觸發(fā)ADC信道A。PWM模塊、TMR模塊和ADC模塊間的連接鏈路能夠定義ADC取樣的多個(gè)確定的時(shí)間瞬間，這與生成的PWM信號同步。

　　ADC信道A在31.25μs后第三次啟動(dòng)，第三個(gè)DC總線電流樣本被讀取。同時(shí)，定時(shí)器3中斷執(zhí)行。在已經(jīng)讀取了第三個(gè)電流樣本后，定時(shí)器3 ISR被中斷，ADC信道A終止掃描ISR執(zhí)行。當(dāng)該ISR完成后，定時(shí)器3 ISR繼續(xù)進(jìn)行處理。

　　快速電流控制回路在PWM重載ISR中執(zhí)行，后者與PWM_half_reload_sync信號同步。在PWM重載ISR被執(zhí)行之前，提取DC總線電流的三個(gè)ADC樣本，并由ADC信道A終止掃描ISR進(jìn)行處理。

　　在滿載時(shí)要測量獨(dú)立PFC是否符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2的要求?？傊C波失真(THD)為4.5%，功率因數(shù)(PF)為0.99。

　　PFC組件的額定功率與功率器件主板額定功率(750W)相同。PFC還要作為一種負(fù)載與AC感應(yīng)電機(jī)一起測試。雖然滿足電流限制，但THD的值較大，而PF的值較小。這是因?yàn)镻FC是針對750W設(shè)計(jì)的。要獲得更好的結(jié)果，應(yīng)根據(jù)所選電機(jī)的額定功率重新設(shè)計(jì)組件。

　　在這種特殊的實(shí)現(xiàn)中(帶有單旁路電流傳感的三相AC感應(yīng)矢量控制驅(qū)動(dòng))，采用了一個(gè)用于速度傳感的測速發(fā)電機(jī)。利用MC56F8037 DSC進(jìn)行設(shè)計(jì)將不需要測速發(fā)電機(jī)，這要?dú)w功于定時(shí)器數(shù)量的增加。在某些情況下，可能要求使用編碼器進(jìn)行速度傳感。