一種基于占空比預估的單相PFC數(shù)字控制算法研究

1、一種基于占空比預估的單相PFC數(shù)字控制算法研究第l0卷第5期2007年5月奄滌艘石闕POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSMay2007一種基于占空比預估的單相PFC數(shù)字控制算法研究楊靖,陳新(南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室,江蘇南京210016)摘要:簡要分析了傳統(tǒng)的PFC數(shù)字控制算法的特點和缺乏,在此根底上對一種新型的PFC數(shù)字控制算法占空比預估法進行了詳細的理論推導.此算法具有運算量相對較小,動態(tài)性能好等優(yōu)點,特別適合高頻場合.通過MATLAB仿真,驗證了算法的正確性,并得到系統(tǒng)的控制參數(shù)初始值.然后,采用Freescale公司的MC56

2、F8323DSP芯片,設計了一套PFC數(shù)字控制系統(tǒng),對新算法進行實現(xiàn).關鍵詞:功率因數(shù)校正;數(shù)字控制;數(shù)字信號處理DigitalControlSolutionforPowerFactorCorrectingBasedonDutyCyclePredictiveControl(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,NanjingJiangsu210016,China)analyses,anewPFCdigitalcontrolsolutionnameddutycycleforecastingandit"sdetailedt

3、heoreticalderivationareMC56F8323producedbyFreescale.Thesystemrealizedthenewalgorithm,AndthecorrectofthisnewalgorithmisprovedbythesimulationofMATLAB.Keywords:digitalcontrol;PFC;DSP中圖分類號:TM46文獻標識碼:A文章編號:02192713(2007)050017040引言功率因數(shù)校正技術(PFC)是電力電子產品滿足綠色環(huán)保要求的必需手段,是提高用電質量的義和現(xiàn)實需求,是未來開關電源開展的關鍵技術之一.數(shù)字控制由于其控

4、制理論與實施手段的不斷完善,且因為其具有高度集成化控制電路,精確的收稿Et期:20060815控制精度,以及穩(wěn)定的_T=作性能,如今已成為電力電子學的一個重要研究方向.將功率因數(shù)校正技術和數(shù)字控制技術相結合是提高功率因數(shù)校正技術的重要手段.然而,目前普遍采用的PFC數(shù)字控制算法,是從模擬控制策略上移植過來的,并未最大限度地發(fā)揮數(shù)字控制的優(yōu)勢,因此,需要研究一些新型的控制策略,以最大限度地發(fā)揮數(shù)字控制的優(yōu)勢,提高系統(tǒng)的性法簡單,動態(tài)性能好等特點,很好地彌補了傳統(tǒng)算17第10卷第5期2007年5月它潦教石閡POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSMav2007法

5、的缺乏.1傳統(tǒng)PFC數(shù)字控制算法分析傳統(tǒng)的PFC數(shù)字控制算法是從模擬控制模型算法的核心包括一個電壓外環(huán)和一個電流內環(huán),外加一個電流的基準給定計算,涉及了較多的乘節(jié)是一個逐漸消除誤差的過程,因此調節(jié)速度相對較慢.圖1傳統(tǒng)PFC算法結構圖2基于占空比預估的的PFC數(shù)字控制算法介紹傳統(tǒng)算法由于算法相對復雜,計算量較大,因此運行完所有程序所需要的時問就比擬長,這限制了開關頻率的提高,而高頻化正是現(xiàn)代電力電子技術的開展趨勢之一.另外,由于調節(jié)速度不夠點,本文介紹一種基于占空比預估的新算法,這種算法相對簡單,計算量較小,而且調節(jié)速度相對較快,很好地彌補了傳統(tǒng)算法的缺乏,特別適合用于高頻場合.由于Boost

6、拓撲具有對輸入濾波器要求不高,對前級整流器呈現(xiàn)電流源特性等特點,因此,被廣泛應用于PFC電路.下面針對Boost拓撲,對新算法進行理論推導.圖2為Boost電路拓撲,做以下兩個假定:(1)電路始終工作在連續(xù)模式;(2)開關頻率遠大于輸入電壓頻率.由于開關頻率遠大于輸入電壓頻率,因此,在一個開關周期內,輸入電壓可看作恒定不變.假設第n個開關周期的起始時刻為t,占空比為D,輸入電壓為i(n).那么當tn<t<t+時,開關管導通,如圖3所示.當f+)<f<.時,開關18管關斷,如圖4所示.D圖2Boost電路拓撲II+I+n)上f一TI圖3開關

7、管導通時的等效電路i圖4開關管關斷時的等效電路對第n個周期進行分析,易得LLdiL=n)<fn+TDLddifL=in(n)一.fn+TJ9n<f<fn+I(2)圖5為第n個周期的電感電流示意圖.iL(n+1)=L(n)+Y(3)誓=(4)l,:(1一(5)將式(4)和式(5)代人式(3),化簡得惦年)一_(6)由式(6)整理出D的表達式為×+(7)穩(wěn)態(tài)時,V.=村,貝0務×+(8)研究與設計一種基于占空比預估的單相PFC數(shù)字控制算法研究iL(/'/l't(")圖5電感電流示意圖由式(8)可以看出,I,i(

8、n),D,(n+1),n)存在一個約束關系.利用這個約束關系,可在第n個周期開始時刻采樣電感電流作為iL(n),第n個周期內任意時刻采樣輸入電壓值作為I,i(n),控制量為n+1),我們希望在第n個開關周期結束時刻,iL(n+1)跟隨基準,因此,將iL(n+1)耐代入式(8),即可求得在(n)和I,i(n)的初始條件下,要使得iL(n+1)跟蹤給定所需的占空比.式(8)可化為Dn=Dl+D2(9)式中:Dl=L×業(yè);rrefnVo-Vi(n)一I,.者一起作用,使得在每個開關周期結束時刻的電感電流跟蹤給定,如圖6所示.圖6電感電流示意圖式(10)給出了電流基準產生的方法,基準的幅值是

9、電壓環(huán)調節(jié)器的輸出,基準的形狀是一個給定正弦表的讀值,它與輸入電壓的波形同相位.n+1)=KHIsinmt(n+1)I(10)令彘,船貝0D=ir(n+1)+(n)+I,IdI,(n)(11)因此,我們可以得到此算法的算法框圖如圖7所示.與傳統(tǒng)算法相比,此算法有以下兩個優(yōu)點.(1)此算法用D.和D:的計算代替了電流內環(huán)的計算,由于D.和D:計算是并行結構,可以同圖7算法框圖時進行,另外整個算法可以歸結為一個電壓環(huán)節(jié)的計算,兩個乘法計算,三個加法計算,算法比擬簡單,因此,計算時間大大小于傳統(tǒng)算法.(2)根據(jù)第n個周期開始時的電感電流和輸入電流,根據(jù)約束關系直接求得要在周期結束時候電感電流到達基準

10、所需要的占空比,理論上在一個周期內就消除了誤差,調節(jié)速度比傳統(tǒng)算法要快.3Matlab仿真驗證為了驗證算法的正確性,并且得到系統(tǒng)控制參數(shù)的初始值,本文用Matlab對此算法進行了仿電流波形,圖9為輸出電壓波形.圖8輸入電壓電流波形圖9輸出電壓波形從波形可以看出,輸入電流正弦化程度較高,在相位上根本和輸入電壓保持一致;輸出電壓最19第10卷第5期2007年5月奄滌般石周POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSMav2007終穩(wěn)定在380V.可見,新算法很好地實現(xiàn)了PFC電路提高功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓兩個目的,從而驗證了新算法的可行性.4新型PFC算法的工程應用

11、本文用Freescale公司的MC56F8323DsP芯片,設計了一套PFC數(shù)字控制系統(tǒng),對新算法進行率管s,升壓二極管D,儲能電感L及輸出電容組成,輸入側還包括輸入EMI濾波和二極管全波整流電路.圖10系統(tǒng)框圖在此PFC數(shù)字控制系統(tǒng)中,數(shù)字控制器采樣全波整流電壓_in,輸入電流Lin和輸出直流母線電壓VG保證了輸出直流電壓穩(wěn)壓在給定值,電壓環(huán)的輸出決定了電感電流給定的幅值,數(shù)字電流正弦波形給定決定了電感電流給定的形狀,保證了輸入電流的正弦化,同時輸入電壓的過零點采樣決定了輸入電流的過零相位,保證了電流與電壓相位的一致.通過D.,D和D的計算,確定所需的占制波形,最終到達輸入功率因數(shù)校正并穩(wěn)定

12、輸電壓的目的.基于DSP的PFC控制采用中斷效勞響應結構,主要的中斷效勞程序包括:電壓環(huán)定時器周期AD,PWM,定時器等模塊的初始化T作,然后進入一個空循環(huán)等待中斷發(fā)生;電壓環(huán)定時器周期中斷的主要功能是完成電壓環(huán)計算;重載周期中斷主要根據(jù)給定算法計算出所需占空比,并根據(jù)計算結果重載占空比,刷新PWM輸出模值,動態(tài)調節(jié)PWM通道的占空比輸出.在以上條件下,制作了一臺500W樣機,在輸入電壓為220V,輸出功率為500W的工作條件下,功率因數(shù)PF到達0.996,THD為6.208%,到達設計要求,證實了算法和電路設計的可行性.以看輸入電流的波形和相位都根本跟蹤輸入電壓,獲得了很好的功率因數(shù)校正結果.TekRun100KS/sHlResf,f,t,/,/,圖11采用數(shù)字正弦給定算法的試驗結果5結語占空比預估法與傳統(tǒng)PFC數(shù)字控制算法相比較,具有算法簡單,動態(tài)響應快等優(yōu)點,因此適用于對動態(tài)響應要求較高的高頻場合.參考文獻1】丁道宏.電力電