基于DSP的數(shù)字控制逐漸和電力電子應用緊密結(jié)合,功率因數(shù)校正是電力電子技術(shù)的一個重要應用,利用Motorola新型號MC56F8323的高性能特性,完成了基于DSP的功率因數(shù)校正應用模塊研究,給出了詳細的系統(tǒng)設計和控制參數(shù)。最后用一臺500W實驗樣機驗證了數(shù)字控制所帶來的優(yōu)良的系統(tǒng)性能。
關鍵詞：功率因數(shù)校正;數(shù)字信號處理;PI控制

0 引言
    電力電子變換技術(shù)是隨著電力半導體器件的發(fā)展而發(fā)展的。隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字信號處理技術(shù)應運而生,并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)字控制由于其控制理淪與實施手段的不斷完善,且閱為其具有高度集成化的控制電路、精確的控制精度、以及穩(wěn)定的工作性能,如今已成為功率電子學的一個重要研究方向,而且數(shù)字控制也是最終實現(xiàn)電源模塊化、集成化、數(shù)字化、綠色化的有效手段。
    功率因數(shù)校正作為電力電子功率變換的一種典型應用,具有廣泛的工程應用價值,本文研究的內(nèi)容是在Moturola的MC56F8323所構(gòu)成的數(shù)字控制硬件基礎上,對數(shù)字化控制的功率因數(shù)校正應用模塊進行了研究,將數(shù)字化控制應用到高頻開關的功率因數(shù)校正領域。

l 單相功率因數(shù)校正技術(shù)
    功率因數(shù)PF(Power Factor)的定義是交流輸入有功功率P與輸入視在功率S之比,其表達式為

   
式中：Vrms是電網(wǎng)電壓的有效值;
    Irms是電網(wǎng)電流的有效值;
    V1rms是電網(wǎng)基波電壓有效值,在以下的討論中,都認為電網(wǎng)電壓是理想的正弦波,即Vrms=V1rms。
    I1rms是電網(wǎng)基波電流有效值;cosΦ是基波電壓電流的相移因數(shù)(displacement factor)：
    γ=I1rms/Irms是電網(wǎng)電流的失真因數(shù)(distonlon factor)。
    因此,功率因數(shù)PF又可以定義為電流失真因數(shù)和相移因數(shù)的乘積。
    單管Boost型PFC電路是現(xiàn)在實際工程應用中最為廣泛的一種有源功率因數(shù)校正電路,其電路工作框圖如圖1所示。主電路由不可控整流電路、電感、開關管和濾波電容組成。其輸入側(cè)有儲能電感L,可以減小輸入電流紋波,防止電網(wǎng)對主電路高頻瞬態(tài)沖擊,且可減少對輸入濾波器的要求,對整流器呈現(xiàn)電流源負載特性;其輸出側(cè)有濾波電容,可以減小輸出電壓的紋波,對負載呈現(xiàn)電壓源特性。

    從前面的分析可知,PFC電路主要完成兩方面任務：
    1)控制電感電流,盡量使輸入電流接近正弦,保證其γ接近于1,并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位;
    2)控制輸出電壓,使輸出電壓保持恒定。
    因此需要兩個控制環(huán)進行控制,電壓環(huán)是外環(huán),采樣輸出電壓,保持輸出電壓恒定;電流環(huán)是內(nèi)環(huán),采樣電感電流,迫使電感電流跟蹤電流給定,減小輸入電流諧波。

2 基于數(shù)字控制功率因數(shù)校正模塊的系統(tǒng)框架
    數(shù)字化使得電力電子變換控制更為靈活,在CPU計算速度允許的情況下,可以實現(xiàn)模擬控制難以做到的復雜控制算法,用戶可以根據(jù)自己的系統(tǒng)需求,方便地更改控制器參數(shù),即便是在控制對象改變的情況下,也不需要對控制器硬件做修改,只要改變某些軟件參數(shù)即可,從而大大增強了系統(tǒng)的硬件兼容性。另一方向,數(shù)字電路不易受到外界環(huán)境的干擾,增強了系統(tǒng)的可靠性。

    但是,數(shù)字控制所采用的CPU計算速度決定廠數(shù)字控制系統(tǒng)的適用場合,現(xiàn)在數(shù)字控制多被用于計算速度要求不太苛刻的場合,例如,UPS和逆變器控制等,計算頻率一般小于20 kHz。控制頻率大于100 kHz的高頻功率變換現(xiàn)在主要還是采用模擬器件控制,這主要是受到CPU計算速度的限制。本文采用Motorola公司的新型DSP芯片MC56F8323,將數(shù)字控制引入到高頻有源功率因數(shù)校正的控制之中,完成了基于數(shù)字控制的功率因數(shù)校正模塊應用,并取得廠良好的控制效果。
    基于MC56F823的PUC模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示,主電路采用傳統(tǒng)的單管Boost的功率拓樸結(jié)構(gòu),由主功率管S,升壓二極管D,儲能電感L以及輸出電容C組成,輸入側(cè)還包括輸入EMI濾波,輸入繼電器以及二極管全波整流電路。全波整流電壓Vrect,輸入電流Iin,和輸出直流母線電壓Vbus三個模擬變量送至DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換。本文的數(shù)字調(diào)節(jié)器均采用PI算法。從圖2中可以看出,數(shù)字PFC
采用雙環(huán)控制,外環(huán)電壓環(huán)速度較慢,輸出的直流母線電壓經(jīng)采樣與輸出電壓的給定值相比較,經(jīng)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器G1,輸出表示為a。
    G1的傳遞函數(shù)為

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式中：Kpv為電壓環(huán)比例系數(shù);
    kiv為電壓環(huán)積分系數(shù)。
    a要與另外兩個量b和c相乘,作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定Iref,即
   
    即輸入全波整流電壓Vrect平均值平方的倒數(shù),c即為輸入全波整流電壓,這樣,電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出a決定了電流環(huán)給定的幅值,輸入全波整流電壓的采樣值c決定了電流環(huán)給定的形狀,前饋電壓控制的引入b保證了輸入功率恒定,不受輸入電網(wǎng)電壓變化的影響。內(nèi)環(huán)電流環(huán)的速度較快,將輸入電流采樣值與電流環(huán)給定相比較,經(jīng)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器G2產(chǎn)生變化的占空比參數(shù),最后通過PWMO給出主功率開關管控制波形。
    G2的傳遞函數(shù)為
式中：Kpi為電流環(huán)比例系數(shù);
    Kii為電流環(huán)積分系數(shù)。
    在進行MATLAB仿真后,可以得到電壓環(huán)、電流環(huán)的各個控制系數(shù),在仿真初值的基礎上,進行大量的實驗調(diào)試,最后各個控制參數(shù)如表1及表2所列。為了保證在輸入電壓大范圍變化時系統(tǒng)性能始終達到最佳態(tài),當輸入電壓有效值為11OV和220V時電流環(huán)分別采用不同的PT參數(shù),這也是模擬控制所無法做到的。

    由于DSP的控制是一種離散的數(shù)字控制,它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量,因此,必須對上式進行離散化處理,用一系列采樣時刻點k代表連續(xù)的時間t,離散的PI控制算法表達式為

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式中：k=0,1,2……表示采樣序列;
    u(k)表示第k次采樣時刻PI調(diào)節(jié)器的輸出值;
    e(k)表示第k次采樣時刻輸入的偏差值;
    Ts表示采樣周期;
    TI表示積分時間常數(shù);
    Kp為比例系數(shù);
    Ki為積分系數(shù)。
    數(shù)字控制程序是由主程序和中斷服務子程序組成,主要的功能模塊包括電壓環(huán)計算、電流環(huán)計算、PWM輸出刷新以及故障保護等中斷模塊,其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如表3所列。

3 系統(tǒng)實驗
    本文在基于MC56F8323的數(shù)字平臺上對一臺500W的PFC電路模塊樣機進行了實驗驗證,證明了在高頻功率變換應用中,使用數(shù)字控制不僅可以完成傳統(tǒng)模擬控制功能,而且在全輸入范圍內(nèi)都能保持較高的功率因數(shù),具有更佳的系統(tǒng)性能。
    MC56F8323的基本特征與資源利用情況如表4所列。樣機的輸入電壓范圍為全球通用交流輸入,即輸入電壓范圍設計為AC85~265v,圖3為輸入電壓有效值為110V,輸出滿載時的輸入電壓和輸入電流波形,其中通道1為電壓波形,通道2為電流采樣波形。電壓的采樣比例為1：500,電流采樣的比例為1：lO,此時輸入電流THD為8.6％,輸入功率因數(shù)為0.994;圖4為輸入電壓有效值為220V,輸出滿載時的輸入電壓和電流波形,通道說明和采樣比例同前,此時輸入電流THD為10.5％,輸入功率因數(shù)為0.994。實驗表明當輸出滿載功率不變時,輸入電壓在AC 85~265V的范圍內(nèi)變化時,輸入電流無論是波形還是相位都跟蹤輸入電壓波形,數(shù)字PFC控制始終可以使電路保持很高的功率因數(shù)。

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    表5和表6分別為輸入電壓在110V和220V情況下,輸出負載變化時的實驗數(shù)據(jù),從這些數(shù)據(jù)可以看出,當負載從滿載到空載變化時,輸出電壓保持恒定不變,輸入功率因數(shù)始終都維持在較高水平。實驗表明該數(shù)字控制的功率因數(shù)校正系統(tǒng)在較大負載變化范圍內(nèi)均有較好的性能。

4 結(jié)語
    數(shù)字控制已成為電力電子研究領域的一個重要發(fā)展方向,基于DSP的控制技術(shù)在電力電子領域的運用也逐漸普及并受到市場的充分肯定。數(shù)字控制在功率因數(shù)校正模塊中的應用研究,不僅給出了完整的功率因數(shù)校正中的DSP控制解決方案,而且將DSP控制與電力電子專業(yè)應用更緊密地結(jié)合在一起,為電力電子設汁提供了一種新思路。本文首先給出了基于MC56F8323的功率因數(shù)校正應用的控制原理以及設計方法,最后做出了一臺500W數(shù)字功率因數(shù)校正模塊樣機,并用實驗驗證了數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能。