CN101546963A - 一种pfc变换器的数字单周控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种PFC变换器的数字单周控制方法，首先采样输出电压和电感电流，采用数字信号处理器将输出电压采样值经过电压PI调节环，同时利用数字信号处理器的同步采样功能完成电感电流的峰值采样以保证单周控制要求，然后再通过数字单周核心控制算法即可得到功率器件的PWM控制信号。采用这种数字单周控制方法可以有效简化PFC的数字控制结构，提高系统的实时计算能力和控制效果，解决传统单周期控制可复位积分器中运放和电容等器件离散参数的不利影响；此外系统在采样接口与传统PFC充分保持一致的同时，充分保留了传统数字控制的精确控制精度和完善的通讯能力等优点。

Description

一种PFC变换器的数字单周控制方法

技术领域

发明涉及一种PFC变换器的数字单周控制方法，属于电能变换装置的功率因数校正应用与相关数字控制技术的技术领域。

背景技术

单周控制技术是由美国学者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出的一种新型大信号、非线性控制法，它利用开关变换器的脉冲调制和非线性特性实现了对实时电压和电流平均值的瞬时控制，可以在一个开关周期内抑制输入扰动，使输出有效地跟踪参考信号，具有响应快速、鲁棒性好和自适应性等特点，目前单周控制的应用已涉及到各种领域，如DC/DC变换、功率因数校正、有源电力滤波器、不间断电源、功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等。

近年来，人们针对单周期控制的理论、应用可行性、建模分析和稳态和动态性能研究等方面进行了深入研究，但是目前针对单周控制器的研究都是采用模拟电路的方式来实现，这对可复位积分器中运放的选取，电容放电时间的控制都有很高的要求。控制实现难度大，控制精度难以保证。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，结合单周期控制的特点和数字控制优势，针对BOOST功率因数应用，采用数字单周控制方法实现了输入功率因数和输出电压控制，提供一种PFC变换器的数字单周控制方法。具有动态性能好、控制方法简单等优点。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明PFC变换器的数字单周控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1.)将PFC变换器输出的采样电感电流i_L经过第一模数接口输入数字信号处理器；

2.)将PFC变换器输出的直流电压v_bus经过第二模数接口输入数字信号处理器；

3.)将步骤2所述的直流电压v_bus与给定的直流电压v_ref之间的差值经过数字PI调节环得到调节电压v_m；

4.)将步骤1所述的采样电感电流i_L与步骤3所述的调节电压v_m经过单周控制核心算法得到PFC变换器的控制信号即PFC变换器的占空比信号d：

$d=1-\frac{i_L\·R_S}{v_m},$ 其中R_s为PFC变换器中的电感电流采样电阻。

本发明具有如下优点：

①PFC的数字控制方法得到大幅度简化：常规的PFC控制通常包括电压环、电流给定计算和电流环三个控制环节，其中电流给定计算和电流环(通常采用PI控制环)数字实现较为复杂，且实时性要求高。采用数字单周控制方法，将实时性要求较高的电流给定和电流调节环用一个核心单周控制函数替代，系统的控制结构在很大程度上进行了简化。

②PFC的实时计算能力和控制效果得到提高，PFC的控制性能主要指标之一就是输入电流THD和输入功率因数，采用数字单周控制，用一个简洁的核心单周控制函数代替原有复杂的电流控制环，在同样的数字控制资源前提条件下，可以有效提高电流计算处理频率，这样有助于进一步提高输入功率因数和减小输入电流THD。

③利用数字控制器的同步采样功能巧妙地完成峰值电流采样，基于数字单周控制PFC核心控制方案要求实现电感电流的峰值采样，对于数字控制来说，用连续检测的方法检测一个开关周期里电感电流的峰值需要很高的采样频率，代价太高，实时性能差，本发明充分利用数字信号处理的同步采样功能，同时通过合理设置PWM通道的输出模式和极性，仅利用数字信号处理器内部AD采样外设与定时器即可完成硬件峰值采样，所有峰值采样无需额外的软件开销，充分保证处理的实时性。

④有效提高单周控制精度，单周期控制需要保证复位积分器的积分常数与开关周期严格相等，不然单周控制条件难以满足，由于传统单周期控制技术基于模拟电路实现，这对可复位积分器中运放和电容等器件参数的选取提出较高要求，采用全数字的单周控制无需复位积分器硬件控制电路，全部控制功能采用软件实现，这样就具有控制精度高优点，且控制性能不会受到传统模块控制系统中器件离散性和温度飘移等不利因素影响。

⑤保留了传统数字控制的优点，系统采用全数字控制，功率开关器件的控制均采用数字信号处理器，这样很容易利用数字信号处理器精确的控制精度和完善的通讯能力，在完成PFC主控制功能同时，兼顾完成电源的综合管理和扩展通讯功能。

⑥与现有PFC控制方案相比，本发明具有很好的硬件兼容性，基于数字单周控制的PFC系统采样为输入电感电流和输出BUS电压，这和传统PFC控制接口要求完全一致，这样有助有现有PFC控制系统的技术更新和改造，便于本发明控制技术的推广和应用。

附图说明

图1是本发明PFC控制框图。

图2是基于MC56F8323的同步峰值采样策略。

图3是数字单周控制中断服务程序流程图。

图4是采用数字单周控制PFC系统的输入电压、输入电流和输出电压实验波形(110V/50Hz输入条件)。

图5是采用数字单周控制PFC系统的输入电压、输入电流实验波形图(220V/50Hz输入条件)。

上述附图中的主要符号名称：v_g为输入交流电压，v_o为输出直流BUS电压，L为BOOST电感，D为二极管，S为功率开关器件，C为输出滤波电容，R为输出负载，R_s为电感电流采样电阻，v_ref为输出电压给定值，v_bus为输出BUS电压采样值，i_L为电感电流采样值，v_m为电压PI调节器输出数值。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

随着数字信号处理技术的迅速发展，数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且具有高度集成化控制电路、精确的控制精度，以及完善的通讯能力与电源综合管理功能，如今已成为电力电子学的一个重要研究方向。

如图1所示，本发明给出PFC变换器应用的数字单周控制方法，电路由单管PFC主电路和DSP控制器即微控制器组成。DSP控制器采样输出电压和电感电流送入DSP的两路AD通道，系统首先将采样得到的输出电压值经过电压PI调节环以控制输出电压恒定，然后再通过数字单周核心控制算法，即可得到功率器件的PWM的占空比，以此控制功率管即可完成BOOST PFC的数字单周控制。

本发明提出了一种数字单周核心控制算法，该算法结合了单周期控制的基本控制原理和数字控制实现特点，其核心控制算法的传递函数如式1。

$d=\frac{t_{\mathrm{on}}}{T_s}=1-\frac{i_L\·R_s}{v_m}$                     (式1)

式中d为功率器件的导通占空比，v_m为电压调节器输出，R_s为电感电流采样电阻，i_L为功率器件关断瞬间时电感电流，即单位开关周期中的电感峰值电流。

根据数字单周控制核心函数可以看出，实现数字单周期控制必须完成单位开关周期的电感电流峰值数字采样，当得到了电感电流峰值的采样后，就可以通过该算法公式计算得到占空比。

如图2所示，由于一个开关周期里电感电流峰值出现在开关管关断瞬间，所以可以通过同步信号控制AD采样的功能来实现电感电流峰值的采样。目前大多DSP具有同步采样功能，以Freescale公司的MC56F8323为例，该DSP可以通过Timer C模块将PWM模块和ADC模块联系起来，即PWMA模块在其重载时刻通过TC2定时器来启动ADCA模块采样，从而可以实现同步采样。为实现电感电流的峰值同步采样，设计PWM工作在负极性输出的边沿对齐模式，当PWM计数器的值低于比较器的值时，输出负的驱动信号。

附图3给出了系统控制主要软件流程图，系统软件采用中断响应结构实现控制算法，单周期控制中断主要完成输出电压和电感电流采样、过压和过流保护、PI电压环调节器计算、数字单周核心函数计算，以及更新控制占空比输出。此外系统在硬件故障(如严重过流时)发生时将屏蔽所有PWM输出。其中U(n)为第n次采样周期内输出电压环计算结果，e(n)为输出电压的误差，I(n-1)、I(n)分别第n次、第n-1次采样的积分项，K₁为比例系数，K₂为积分系数，K₃为抗饱和系数，E(n)为电压环的饱和量，U_s为限幅后的电压环输出结果，i_sam为电感电流的峰值采样。

数字信号处理器利用电感电流和输出电压采样直接实现软件控制保护方法，具体步骤如下：

a.)采用数字信号处理器采样PFC变换器输出的采样电感电流i_L和直流电压v_bus，当PFC变换器输出的采样电感电流i_L和直流电压v_bus超过设定的安全值，则屏蔽数字信号处理器的PWM输出端返回步骤1；

b.)当PFC变换器输出的采样电感电流i_L和直流电压v_bus没有超过设定的安全值，则进入步骤3；

c.)当数字信号处理器输出步骤4所述的控制信号后，更新微控制器中的PWM寄存器，返回步骤1。

本发明结合了单周期控制的特点和数字控制优势，针对BOOST功率因数应用，采用数字单周控制方法实现了输入功率因数和输出电压控制，具有动态性能好、控制方法简单等优点。

本发明采用数字电压环和数字单周电流控制函数完成功率器件的控制，以单管BOOST型PFC电路应用为例，采用全数字单周控制方法实现了输入功率因数和输出电压控制，包括数字电压环和数字单周电流控制函数，数字电压环采用数字PI控制环实现输出电压恒压控制，数字单周电流控制函数为一种新型数字单周核心控制函数，既可以直接实现输入电流波形控制，具有算法简单、控制性能好、实现方便等优点。同时利用数字信号处理器的同步采样功能完成电感电流的峰值采样以保证单周控制要求。

为了完成数字单周期PFC控制的实验验证，完成了200W的全数字单周期控制功率因数校正样机实验。图1是本发明PFC控制框图。

图2是基于MC56F8323的同步峰值采样策略。

图3是数字单周控制中断服务程序流程图。

图4为在110V/50Hz额定输入条件下，输出满载(300W)的实验结果。2通道为电压波形(350V/div)，4通道为电流波形(10A/div)，3通道为输出电压(600V/div)，此时输出电压稳定在380V。图1是本发明PFC控制框图。

图2是基于MC56F8323的同步峰值采样策略。

图3是数字单周控制中断服务程序流程图。

图4是采用数字单周控制PFC系统的输入电压、输入电流和输出电压实验波形(110V/50Hz输入条件)。

图5为在220V/50Hz额定输入条件下，输出满载(300W)的实验结果。2通道为电压波形(250V/div)，4通道为电流波形(3A/div)。

由实验结果可见，采用数字单周控制可以在不同输入电压条件下均能得到很好的功率因数校正效果，且输出电压均能稳定在380V。

Claims (2)

1、一种PFC变换器的数字单周控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1.)将PFC变换器输出的采样电感电流i_L经过第一模数接口输入数字信号处理器；

2.)将PFC变换器输出的直流电压v_bus经过第二模数接口输入数字信号处理器；

3.)将步骤2所述的直流电压v_bus与给定的直流电压v_ref之间的差值经过数字PI调节环得到调节电压v_m；

4.)将步骤1所述的采样电感电流i_L与步骤3所述的调节电压v_m经过单周控制核心算法得到PFC变换器的控制信号即PFC变换器的占空比信号d：

$d=1-\frac{i_L\·R_S}{v_m},$ 其中R_s为PFC变换器中的电感电流采样电阻。

2、根据权利要求1所述的一种PFC变换器的数字单周控制方法，其特征还在于数字信号处理器利用电感电流和输出电压采样直接实现软件控制保护方法，具体步骤如下：

a.)采用数字信号处理器采样PFC变换器输出的采样电感电流i_L和直流电压v_bus，当PFC变换器输出的采样电感电流i_L和直流电压v_bus超过设定的安全值，则屏蔽数字信号处理器的PWM输出端返回步骤1；

b.)当PFC变换器输出的采样电感电流i_L和直流电压v_bus没有超过设定的安全值，则进入步骤3；

c.)当数字信号处理器输出步骤4所述的控制信号后，更新微控制器中的PWM寄存器，返回步骤1。

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