PFC功率因數(shù)校正與FOC磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(矢量控制)在PMSM永磁同步電機(jī)系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案

PFC功率因數(shù)校正與FOC磁場(chǎng)導(dǎo)向控制（矢量控制）在PMSM永磁同步電機(jī)系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案一、PFC與FOC的應(yīng)用：大多數(shù)電機(jī)控制系統(tǒng)通常將PFC作為系統(tǒng)的第一級(jí)。由于逆變器中開關(guān)器件的存在，若沒有PFC輸入級(jí)，那么所產(chǎn)生的電流中將會(huì)含有顯著的諧波分量。此外，由于電機(jī)負(fù)載的高度感性，輸入電流將會(huì)給輸入系統(tǒng)引入大量無功功率，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。PFC級(jí)作為電機(jī)控制應(yīng)用中的一個(gè)前端轉(zhuǎn)換器，能夠較好地調(diào)節(jié)輸出電壓以及降低輸入電流中的諧波含量。本應(yīng)用場(chǎng)合選用PMSM電機(jī)。電能質(zhì)量的提高通過進(jìn)行功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection，PFC）來實(shí)現(xiàn)，而電機(jī)的高效控制可以通過使用無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FiledOrientedControl，F(xiàn)OC）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。家電業(yè)通常要求這些算法能夠得以低成本的方式加以實(shí)現(xiàn)。這可通過將PFC和無傳感器FOC算法集成在單片數(shù)字信號(hào)控制器（DigitalSignalController，DSC）上來實(shí)現(xiàn)。本PFC和無傳感器FOC集成系統(tǒng)中，采用了帶下列外設(shè)的處理器：脈沖寬度調(diào)制器（PulseWidthModulator，PWM）；模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）；1/9正交編碼器接口（QuadratureEncoderInterface，QEI）。處理器上的這些外設(shè)最好具有以下特性：多源觸發(fā)ADC；輸入轉(zhuǎn)換速率最快為1Msp；同步采樣多個(gè)模擬通道技術(shù)；故障檢測(cè)與處理能力；1顯示了一個(gè)PFC和無傳感器FOC集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。在這類應(yīng)用中，按照平均電流模式控制的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器拓2/9撲是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化PFC的首選方法。雙分流無傳感器FOC法是一種驅(qū)動(dòng)PMSM電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法。它克服了那些無法配置位置和速度傳感器的應(yīng)用中存在的限制條件。PMSM電機(jī)的速度和位置可以通過測(cè)量相電流來估算。由于轉(zhuǎn)子上的永磁體能夠產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，因此，在這些應(yīng)用中使用PMSM電機(jī)可實(shí)現(xiàn)較高的效率。與感應(yīng)電機(jī)相比，對(duì)于同樣的體積，PMSM電機(jī)具有更高的功率。與直流電機(jī)相比，由于沒有使用電刷，PMSM電機(jī)具有較低的噪聲。第一級(jí)是一個(gè)將輸入線電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓的整流器級(jí)。該整流后的直流電壓又是第二級(jí)即升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)的輸入。在第二級(jí)中，升壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓升高，并使電感電流的形狀與整流后的交流電壓的形狀相似。這可以通過進(jìn)行數(shù)字化的功率因數(shù)校正來實(shí)現(xiàn)。平均電流模式控制法用于在微處理器上實(shí)現(xiàn)PFC。在這種控制方法中，通過改變電流幅值信號(hào)的平均值來控制輸出直流電壓。該電流幅值信號(hào)可用數(shù)字化方法來計(jì)算。集成系統(tǒng)的第三級(jí)和最后一級(jí)是一個(gè)將直流電壓轉(zhuǎn)化為三相電壓的三相逆變器。3/9該轉(zhuǎn)化后的三相電壓作為PMSM電機(jī)的輸入。這一級(jí)通過在微處理器器件上實(shí)施無傳感器FOC策略來控制。無傳感器FOC法對(duì)流入PMSM中的定子電流進(jìn)行控制以滿足系統(tǒng)對(duì)期望轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求。所需的位置和轉(zhuǎn)速信息通過在處理器上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算來估算。集成系統(tǒng)采用五個(gè)補(bǔ)償器來實(shí)現(xiàn)PFC和無傳感器FOC算法。PFC法使用兩個(gè)補(bǔ)償器來控制電壓和電流控制環(huán)，而無傳感器FOC法使用三個(gè)補(bǔ)償器來控制轉(zhuǎn)速控制環(huán)、轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和磁鏈控制環(huán)。這些補(bǔ)償器都是利用比例積分（Proportional-Integral，PI）控制器來實(shí)現(xiàn)的。圖2數(shù)字化的PFC和無傳感器FOC算法的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。4/9二、數(shù)字化的功率因數(shù)校正：電感電流（IAC）、輸入交流整流電壓（VAC）和直流輸出電壓（VDC）可用作實(shí)現(xiàn)數(shù)字化PFC時(shí)的反饋信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)硬件增益調(diào)理后，作為ADC模塊模擬通道的輸入信號(hào)。PFC算法采用三個(gè)控制環(huán)：電壓控制環(huán)、電流控制環(huán)和電壓前饋控制環(huán)。電壓補(bǔ)償器使用參考電壓和實(shí)際輸出電壓作為輸入，計(jì)算其偏差以補(bǔ)償輸出電壓的變化。輸出電壓是通過改變電流幅值信號(hào)的平均值來控制的。電流幅值信號(hào)是通過計(jì)算整流輸入電壓、電壓誤差補(bǔ)償器輸出和電壓前饋補(bǔ)償器輸出三者的乘積來得到的。整流輸入電壓應(yīng)成倍增加以確保電流信號(hào)波形與輸入電壓波形具有相同的形狀。電流信號(hào)應(yīng)盡可能接近地匹配整流電壓以便獲得較高的功率因數(shù)。由于能夠補(bǔ)償輸入電壓的變化量，因此電壓前饋補(bǔ)償器對(duì)于維持給定負(fù)載下的恒定輸出功率是至關(guān)重要的。電流信號(hào)一旦計(jì)算出來，就被反饋到電流補(bǔ)償器中。電流補(bǔ)償器的輸出決定了PWM脈沖的占空比。升壓轉(zhuǎn)換器可以由輸出比較模塊或PWM模塊來驅(qū)動(dòng)。三、無傳感器磁場(chǎng)定向控制：5/9無傳感器FOC法采用相電流Ia和Ib作為反饋信號(hào)。而第三相電流Ic是通過進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算得到的。這三相電流在用Park變換轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子系下兩相電流之前，先用Clarke變換轉(zhuǎn)化為定子系下的兩相電流。這種轉(zhuǎn)換得到了兩個(gè)計(jì)算電流分量：Id和Iq。磁鏈?zhǔn)请娏鱅d的函數(shù)，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩是電流Iq的函數(shù)。位置估計(jì)器用于估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和速度信息。電機(jī)模型使用電壓和電流來估算位置。電機(jī)模型主要使用位置觀測(cè)器來間接獲得轉(zhuǎn)子位置信息。PMSM模型是基于直流電機(jī)模型。在對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)學(xué)估算之后，期望轉(zhuǎn)速與所得估計(jì)轉(zhuǎn)速之間的偏差反饋到轉(zhuǎn)速補(bǔ)償器中。轉(zhuǎn)速補(bǔ)償器的輸出作為Iq補(bǔ)償器的參考值。對(duì)于永磁電機(jī)來說，Id補(bǔ)償器的參考值為零。用于Iq和Id的PI控制器能夠補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩和磁鏈偏差，并分別生成Vd和Vq作為輸出信號(hào)。Park逆變換和空間矢量調(diào)制（SVM）技術(shù)適用于生成絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的占空比。電機(jī)控制PWM模塊用于產(chǎn)生PWM脈沖。譬如，某系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)、觸發(fā)源、寄存器和中斷設(shè)定如下：·PFCPWM頻率：80kHz；6/9FOCPWM頻率：8kHz；PFC控制環(huán)頻率：40kHz；FOC控制環(huán)：8kHz；PFC程序的執(zhí)行點(diǎn)：ADCISR；FOC程序的執(zhí)行點(diǎn)：PWMISR；ADC的觸發(fā)源：定時(shí)器。