PFC功率因數(shù)校正與FOC磁場導向控制(矢量控制)在PMSM永磁同步電機系統(tǒng)上的設(shè)計與應用方案

PFC功率因數(shù)校正與FOC磁場導向控制（矢量控制）在PMSM永磁同步電機系統(tǒng)上的設(shè)計與應用方案一、PFC與FOC的應用：大多數(shù)電機控制系統(tǒng)通常將PFC作為系統(tǒng)的第一級。由于逆變器中開關(guān)器件的存在，若沒有PFC輸入級，那么所產(chǎn)生的電流中將會含有顯著的諧波分量。此外，由于電機負載的高度感性，輸入電流將會給輸入系統(tǒng)引入大量無功功率，從而降低整個系統(tǒng)的效率。PFC級作為電機控制應用中的一個前端轉(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。本應用場合選用PMSM電機。電能質(zhì)量的提高通過進行功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection，PFC）來實現(xiàn)，而電機的高效控制可以通過使用無傳感器磁場定向控制（FiledOrientedControl，F(xiàn)OC）技術(shù)來實現(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)字信號控制器（DigitalSignalController，DSC）上來實現(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；同步采樣多個模擬通道技術(shù)；故障檢測與處理能力；1顯示了一個PFC和無傳感器FOC集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。在這類應用中，按照平均電流模式控制的標準升壓轉(zhuǎn)換器拓2/9撲是實現(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PMSM電機的轉(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用中存在的限制條件。PMSM電機的速度和位置可以通過測量相電流來估算。由于轉(zhuǎn)子上的永磁體能夠產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子磁場，因此，在這些應用中使用PMSM電機可實現(xiàn)較高的效率。與感應電機相比，對于同樣的體積，PMSM電機具有更高的功率。與直流電機相比，由于沒有使用電刷，PMSM電機具有較低的噪聲。第一級是一個將輸入線電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓的整流器級。該整流后的直流電壓又是第二級即升壓轉(zhuǎn)換器級的輸入。在第二級中，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。這可以通過進行數(shù)字化的功率因數(shù)校正來實現(xiàn)。平均電流模式控制法用于在微處理器上實現(xiàn)PFC。在這種控制方法中，通過改變電流幅值信號的平均值來控制輸出直流電壓。該電流幅值信號可用數(shù)字化方法來計算。集成系統(tǒng)的第三級和最后一級是一個將直流電壓轉(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電機的輸入。這一級通過在微處理器器件上實施無傳感器FOC策略來控制。無傳感器FOC法對流入PMSM中的定子電流進行控制以滿足系統(tǒng)對期望轉(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行數(shù)學運算來估算。集成系統(tǒng)采用五個補償器來實現(xiàn)PFC和無傳感器FOC算法。PFC法使用兩個補償器來控制電壓和電流控制環(huán)，而無傳感器FOC法使用三個補償器來控制轉(zhuǎn)速控制環(huán)、轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和磁鏈控制環(huán)。這些補償器都是利用比例積分（Proportional-Integral，PI）控制器來實現(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）可用作實現(xiàn)數(shù)字化PFC時的反饋信號。這些信號經(jīng)硬件增益調(diào)理后，作為ADC模塊模擬通道的輸入信號。PFC算法采用三個控制環(huán)：電壓控制環(huán)、電流控制環(huán)和電壓前饋控制環(huán)。電壓補償器使用參考電壓和實際輸出電壓作為輸入，計算其偏差以補償輸出電壓的變化。輸出電壓是通過改變電流幅值信號的平均值來控制的。電流幅值信號是通過計算整流輸入電壓、電壓誤差補償器輸出和電壓前饋補償器輸出三者的乘積來得到的。整流輸入電壓應成倍增加以確保電流信號波形與輸入電壓波形具有相同的形狀。電流信號應盡可能接近地匹配整流電壓以便獲得較高的功率因數(shù)。由于能夠補償輸入電壓的變化量，因此電壓前饋補償器對于維持給定負載下的恒定輸出功率是至關(guān)重要的。電流信號一旦計算出來，就被反饋到電流補償器中。電流補償器的輸出決定了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。三、無傳感器磁場定向控制：5/9無傳感器FOC法采用相電流Ia和Ib作為反饋信號。而第三相電流Ic是通過進行數(shù)字化計算得到的。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)換得到了兩個計算電流分量：Id和Iq。磁鏈是電流Id的函數(shù)，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩是電流Iq的函數(shù)。位置估計器用于估計轉(zhuǎn)子位置和速度信息。電機模型使用電壓和電流來估算位置。電機模型主要使用位置觀測器來間接獲得轉(zhuǎn)子位置信息。PMSM模型是基于直流電機模型。在對轉(zhuǎn)速進行數(shù)學估算之后，期望轉(zhuǎn)速與所得估計轉(zhuǎn)速之間的偏差反饋到轉(zhuǎn)速補償器中。轉(zhuǎn)速補償器的輸出作為Iq補償器的參考值。對于永磁電機來說，Id補償器的參考值為零。用于Iq和Id的PI控制器能夠補償轉(zhuǎn)矩和磁鏈偏差，并分別生成Vd和Vq作為輸出信號。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：ADCISR；FOC程序的執(zhí)行點：PWMISR；ADC的觸發(fā)源：定時器。