數(shù)字PFC控制增加了電機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控的價(jià)值

———數(shù)字PFC控制增加了電機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控的價(jià)值功率因數(shù)校正（（PFC））對工業(yè)（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)越來越重要，主要是由于公用事業(yè)側(cè)對諧波含量的監(jiān)管增加。額外的好處包括效率、電壓質(zhì)量和導(dǎo)體額定值。數(shù)字PFC控制器比模擬控制器更昂貴并且可能更復(fù)雜。然而，當(dāng)考慮到主（電機(jī)控制）處理器的功能時(shí)，它們可以在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供顯著的附加值。

PFC可以使用有源（電路）拓?fù)洌ɡ鐔蜗嗷蛉嗌龎赫髌鳎﹣韺?shí)現(xiàn)，也可以通過無源方法來實(shí)現(xiàn)，這涉及明智地使用低頻電感器和（電容器）來塑造AC線路（電流）包絡(luò)線。兩種形式的PFC都試圖重現(xiàn)與線路電壓同相的正弦或接近正弦的線路電流，從而最大限度地減少產(chǎn)生損耗的諧波電流和來自公用事業(yè)的無功功率流。有源和無源PFC之間的權(quán)衡與成本、無源元件重量和體積以及PFC相關(guān)的損耗有關(guān)。

在單相（電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）中，有源PFC相當(dāng)受歡迎。對于三相系統(tǒng)，無源諧波校正更受歡迎，通常涉及三相線路中的50或60Hz大（電感），或整流器直流側(cè)的單個(gè)電感。然而，轉(zhuǎn)向更高功率的有源PFC具有優(yōu)勢。有源PFC解決方案（直流或交流側(cè)）在電感器尺寸、更低的功率損耗、更輕的重量和功率因數(shù)方面提供了最佳解決方案。

在單相應(yīng)用中，例如低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，整流器輸入升壓轉(zhuǎn)換器（如圖1所示）是默認(rèn)設(shè)置。這些轉(zhuǎn)換器的（開關(guān)）頻率通常在50至100kHz范圍內(nèi)，因此需要更小的直流側(cè)（電感器）而不是被動(dòng)的解決方案。對于三相系統(tǒng)，涉及交流或直流側(cè)（高頻電感）器的單開關(guān)拓?fù)涫强赡艿摹?/p>

圖1：單相升壓PFC電路。

實(shí)施PFC控制的一個(gè)障礙是與PFC電路和PFC控制器相關(guān)的額外成本。在處理器位于隔離柵的安全超低電壓（SELV）側(cè)的系統(tǒng)中就是這種情況。在這里，由于需要將交流側(cè)（測量）和控制信號與處理器（I/O）和（ADC）隔離開，因此在主電機(jī)控制處理器內(nèi)實(shí)現(xiàn)PFC控制會(huì)帶來額外的復(fù)雜性和成本。此外，通過處理器實(shí)現(xiàn)50至100kHz的PWM控制，該處理器通常為10至20kHz的PWM頻率服務(wù)電機(jī)控制應(yīng)用而優(yōu)化，這可能是一個(gè)困難的匹配。

在這種情況下，一種選擇是使用便宜的模擬PFC控制器，例如UC3854，并使其于主系統(tǒng)控制器運(yùn)行。然而，通過將數(shù)字PFC控制器（例如（AD）P1047）與電機(jī)控制處理器和（數(shù)字隔離器）結(jié)合使用，可以獲得附加值。然后，處理器可以將一些排序、（監(jiān)控）和保護(hù)功能卸載到PFC控制器，并在降低成本的同時(shí)增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)能力。這種安排可用于：

啟動(dòng)和關(guān)閉排序

系統(tǒng)級狀態(tài)信息

（用戶）界面顯示信息

監(jiān)測異常情況

最小化（傳感器）要求

備份測量/冗余

作為整體系統(tǒng)故障保護(hù)的一部分

控制器優(yōu)化（通過效率）

典型數(shù)字PFC控制器部件的潛在系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和排序覆蓋范圍如圖2所示。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，在主處理器的控制和監(jiān)督下利用ADP1047等部件的集成功能的優(yōu)勢很明顯。盡管PFC控制器本身的成本可能高于其模擬控制器，但總體系統(tǒng)成本、復(fù)雜性和傳感器數(shù)量都可以降低。

圖2：電機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)字PFC控制器覆蓋范圍。

（硬件）平臺(tái)

圖3描述了一個(gè)用于驗(yàn)證真實(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)中的信號鏈組件和（軟件）（工具）的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)代表一個(gè)功能齊全的PMSM（電源）輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有電源-因子校正、完全控制和通信信號隔離以及（光學(xué)）（編碼器）反饋。

圖3：通用交流輸入電機(jī)控制平臺(tái)。

該系統(tǒng)的核心是一個(gè)（ARM）Cortex-M4混合信號控制處理器（ADSP-CM408）。PFC前端控制由ADP1047執(zhí)行，具有精確的輸入功率計(jì)量能力和浪涌電流控制。ADP1047專為單相PFC應(yīng)用而設(shè)計(jì)；ADP1048專為交錯(cuò)式和無橋PFC應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

數(shù)字PFC功能基于傳統(tǒng)升壓PFC，將輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相乘，為（AC/DC）系統(tǒng)提供最佳諧波校正和功率因數(shù)。所有信號都轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以提供最大的靈活性；所有關(guān)鍵參數(shù)都可以通過PMBus（接口）進(jìn)行報(bào)告和調(diào)整。

ADP1047/ADP1048讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能，最大限度地提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率，并縮短設(shè)計(jì)上市時(shí)間。靈活的數(shù)字控制PFC引擎與準(zhǔn)確的輸入功率計(jì)量相結(jié)合，有助于采用智能（電源管理）系統(tǒng)，從而做出提高最終用戶系統(tǒng)效率的決策。該器件通過在輕負(fù)載時(shí)的可編程頻率降低和在輕負(fù)載時(shí)降低輸出電壓的能力來支持額外的效率改進(jìn)。

系統(tǒng)操作

處理器和PFC控制器之間的通信通過（I2C）/PMBus接口進(jìn)行，I2C數(shù)字（隔離器）提供域之間的接口（圖5）。處理器位于SELV電氣域中，PFC控制器參考高壓域中的直流總線共軌。三相（逆變器）的（柵極驅(qū)動(dòng)器）開關(guān)信號通過一個(gè)雙通道隔離器從處理器PWM模塊路由。I2C接口的數(shù)據(jù)和（時(shí)鐘）信號以及通用數(shù)字信號也通過數(shù)字隔離器路由。

圖5：數(shù)字信號的隔離。

PFC控制器管理升壓PFC電路的控制和監(jiān)控。這些任務(wù)從主要的電機(jī)控制軟件工作流程中卸載到低優(yōu)先級例程中（圖6）。PFC控制器參數(shù)在啟動(dòng)過程中進(jìn)行配置，但如果此功能可用，通?？梢酝ㄟ^將配置參數(shù)寫入控制器的EEP（ROM）來跳過此步驟。如圖6所示，在典型的電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度和電流測量以及PWM控制器更新將通過高優(yōu)先級中斷處理，其中電流測量與PWM信號同步。PFC控制器可以設(shè)置為處理輸入側(cè)測量，例如輸入交流線路電壓和電流、直流總線電壓、輸入功率和PFC電路溫度。這些測量對于電機(jī)控制算法來說并不重要，但無傳感器算法中的直流總線電壓測量可能除外。但它們對于整體系統(tǒng)級監(jiān)控和控制器優(yōu)化很重要。因此，可以在低優(yōu)先級I2C數(shù)據(jù)處理任務(wù)或中斷例程中請求和處理它們，并以與系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)間常數(shù)相匹配的調(diào)度速率。

圖6：主電機(jī)控制程序結(jié)構(gòu)。

該平臺(tái)的（Mi）criumProbe用戶界面，其中直流總線參考電壓已設(shè)置為250V。可以清楚地看到與電機(jī)控制相結(jié)合的交流和直流側(cè)變量的監(jiān)控。

處理器上額外的傳感器、數(shù)字I/O和模擬引腳的節(jié)省，以及測量變量的縮放和解釋中的軟件開銷，可能意味著處理器成本的降低，因?yàn)槟軌蜻x擇較低的性能變體，或?yàn)槠渌邇?yōu)先級或系統(tǒng)增強(qiáng)功能釋放處理器硬件和軟件占用空間。

在此示例中，與交流線路電壓相關(guān)的系統(tǒng)啟動(dòng)排序、直流總線欠壓、過壓和交流側(cè)過流保護(hù)均由PFC控制器處理。然而，在這方面，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須謹(jǐn)慎行事，因?yàn)橹骺刂铺幚砥鲬?yīng)始終了解PFC控制器正在采取的控制或保護(hù)措施，因此它不會(huì)因以下原因而采取行動(dòng)次要效果。

這方面的一個(gè)例子是，由于直流總線上的瞬態(tài)過電壓（例如，由于電機(jī)制動(dòng)事件），PFC控制器對