CN103269156A - 一种基于sopc的功率因数校正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOPC的功率因数校正装置，包括：功率因数校正变换器主电路模块，用于实现功率因数校正；信号调理电路模块，用于采集全波整流后的输入电压、输入电流以及直流输出电压，并对其进行适当处理；模数转换器模块，用于进行模数转换后送FPGA模块；FPGA模块，根据模数转换器模块工作时序对信号进行处理，实现有效的采样数据的存储、接口电路的时序控制以及采样结束后对采样数据做预处理；驱动电路模块，用于接收PWM信号发生单元的输出，控制功率因数校正变换器电路模块中功率MOSFET的导通和关断。本发明有效解决了现有功率因数校正装置校正速度慢，系统可编程性差，精度低，稳定性差，操作不便，抗干扰能力差，校正效果不理想，容易受环境温度影响和安装位置限制等问题。
Description
技术领域
本发明属于电能质量检测及优化装置，尤其涉及一种基于SOPC的功率因数校正装置。
背景技术
电力电子装置的广泛应用使电能得到了更充分的利用，但同时也对电网产生了严重的谐波污染问题，并对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。为了提高电力电子装置输入端的功率因数，产生了功率因数校正装置。目前，为了实现数字功率因数校正，经常选用的解决方案是采用专用的ASIC、单片机及高性能的DSP。
现有技术具有以下缺陷：校正速度慢，系统可编程性差，精度低，稳定性差，操作不便，抗干扰能力差，校正效果不理想，容易受环境温度影响和安装位置的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SOPC的功率因数校正装置，旨在解决现有功率因数校正装置校正速度慢，系统可编程性差，精度低，稳定性差，操作不便，抗干扰能力差，校正效果不理想，容易受环境温度影响和安装位置的限制问题。
本发明提供了一种基于SOPC的功率因数校正装置，包括功率因数校正变换器主电路模块，信号调理电路模块，模数转换器模块，FPGA模块及驱动电路模块；功率因数校正变换器主电路模块由交流电源，整流桥，电感，功率MOSFET，二极管，电容，电阻等构成，与信号调理电路模块相连，用于对交流信号全波整流并向信号调理电路模块提供全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo；实现电路的输入电流在相位和波形上与整流后的电压的一致，从而实现功率因数的校正；
信号调理电路模块连接模数转换器模块，用于采集全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo，并其进行适当处理；
模数转换器模块连接FPGA模块，用于将从信号调理电路模块传来的全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo进行模数转换后送FPGA模块；
FPGA模块连接驱动电路模块，由电压比较器、电流比较器、乘法器、电压与电流双环PI控制单元，PWM信号发生单元构成，根据模数转换器模块工作时序对信号进行处理，实现有效的采样数据的存储、接口电路的时序控制以及采样结束后对采样数据做预处理等功能；
驱动电路模块连接功率因数校正变换器主电路模块中的功率MOSFET，用于接收PWM信号发生单元的输出，控制功率因数校正变换器电路模块中功率MOSFET的导通和关断，最终实现功率因数校正。
进一步，基于SOPC的功率因数校正装置选用Boost拓扑结构并采用平均电流控制方法，采用了电压与电流双闭环PI控制策略，以NiosII嵌入式软核处理器作为系统数字控制微处理器，以FPGA作为协处理器，通过软硬件协同工作，实现功率因数校正的目的。
进一步，FPGA模块采用VHDL语言编程，在FPGA芯片中完成了AD采集的时序控制、电压与电流的双环PI控制、PWM信号的产生。
进一步，在SOPC Builder中将已实现功能的各模块和其他外设接口添加到Avalon总线上，最终构建完成PFC(功率因数校正)系统的NiosII嵌入式软核处理器系统，并在NiosII9.0IDE开发环境中编写主程序和中断程序以及相应驱动程序来协调控制系统各外设模块，通过系统软硬件协同工作，高效可靠的实现预期控制目标。电流PI控制单元的输出送入搭建好的NiosII嵌入式软核处理器系统中，通过定制PWM组件及软件控制，最终实现PWM波形的自动调节，将PWM信号发生单元的输出接口通过驱动电路控制功率MOSFET的导通和关断，实现功率因数校正。
本发明的基于SOPC的功率因数校正装置，通过对现有的功率因数校正装置进行结构上的改进，有效解决了现有功率因数校正装置校正速度慢，系统可编程性差，精度低，稳定性差，操作不便，抗干扰能力差，校正效果不理想，容易受环境温度影响和安装位置的限制问题。
附图说明
图1是本发明提供的基于SOPC的功率因数校正装置的结构示意图。
图中：1、功率因数校正变换器主电路模块；2、信号调理电路模块；3、模数转换器模块；4、FPGA模块；5、驱动电路模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种基于SOPC的功率因数校正装置主要由功率因数校正变换器主电路模块1，信号调理电路模块2，模数转换器模块3，FPGA模块4，驱动电路模块5组成；
功率因数校正变换器主电路模块1由交流电源，整流桥，电感，功率MOSFET，二极管，电容，电阻等构成，连接信号调理电路模块，用于对交流信号全波整流并向信号调理电路模块提供全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo；实现电路的输入电流在相位和波形上与整流后的电压的一致，从而实现功率因数的校正；
信号调理电路模块2连接模数转换器模块3，用于采集全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo，并其进行适当处理；
模数转换器模块3连接FPGA模块4，用于将从信号调理电路模块2传来的全波整流后的输入电压Vin、输入电流I in以及直流输出电压Vo进行模数转换后送FPGA模块4；
FPGA模块4连接驱动电路模块5，由电压比较器、电流比较器、乘法器、电压与电流双环PI控制单元，PWM信号发生单元构成，根据模数转换器模块3的工作时序对信号进行处理，实现有效的采样数据的存储、接口电路的时序控制以及采样结束后对采样数据做预处理等功能；
驱动电路模块5连接功率因数校正变换器电路模块1中的功率MOSFET，用于接收PWM信号发生单元的输出，控制功率因数校正变换器电路模块中功率MOSFET的导通和关断，最终实现功率因数校正。
作为本发明实施例的一优化方案，基于SOPC的功率因数校正装置，选用Boost拓扑结构并采用平均电流控制方法，采用了电压与电流双闭环PI控制策略，以NiosII嵌入式软核处理器作为系统数字控制微处理器，以FPGA作为协处理器，通过软硬件协同工作，实现功率因数校正的目的。
作为本发明实施例的一优化方案，FPGA模块4采用VHDL语言编程，在FPGA芯片中完成了AD采集的时序控制、电压与电流的双环PI控制、PWM信号的产生。
作为本发明实施例的一优化方案，在SOPC Builder中将已实现功能的各模块和其他外设接口添加到Avalon总线上，最终构建完成PFC系统的NiosII嵌入式软核处理器系统，并在NiosII9.0IDE开发环境中编写主程序和中断程序以及相应驱动程序来协调控制系统各外设模块，通过系统软硬件协同工作，高效可靠的实现预期控制目标。电流PI控制单元的输出送入搭建好的NiosII嵌入式软核处理器系统中，通过定制PWM组件及软件控制，最终实现PWM波形的自动调节，将PWM信号发生单元的输出接口通过驱动电路控制功率MOSFET的导通和关断，实现功率因数校正。
本发明的工作原理为：
本发明实时采集功率因数校正变换器主电路模块1全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo。这三路瞬时信号经过采集及信号调理电路模块2以后，送入后级模数转换器模块3的输入端口，根据模数转换器模块3的工作时序编写VHDL程序，以FPGA模块4作为协处理器完成有效的采样数据的存储、接口电路的时序控制以及采样结束后对采样数据做预处理等。经过数字采样后的输出电压Vo与给定参考电压Vref比较后，差值送入电压外环4-1的电压PI控制单元，其输出与采样后的输入电压Vin相乘，计算结果作为电流内环4-2的参考电流值Iref，Iref与采样后的输入电流Iin比较，差值送入电流内环4-2后的电流PI控制单元4-3。电流内环PI控制单元4-3的输出送入搭建好的NiosII嵌入式硬件系统中，通过定制PWM控制单元4-4及软件控制，最终实现PWM控制单元4-4波形的自动调节，将PWM控制单元4-4的输出接口通过驱动电路模块5控制功率MOSFET的导通和关断，实现功率因数校正。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于SOPC的功率因数校正装置，其特征在于，该功率因数校正装置包括：功率因数校正变换器主电路模块，信号调理电路模块，模数转化器模块，FPGA模块，驱动电路模块；
功率因数正变换器主电路模块，由交流电源，整流桥，电感，功率MOSFET，二极管，电容，电阻构成，用于对交流信号全波整流并向信号调理电路模块提供全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo；实现电路的输入电流在相位和波形上与整流后的电压的一致，从而实现功率因数的校正；
信号调理电路模块，与功率因数校正变换器主电路模块连接，用于采集全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo，并进行处理；
模数转换器模块，与信号调理电路模块连接，用于将从信号调理电路模块传来的全波整流后的输入电压Vin、输入电流Iin以及直流输出电压Vo进行模数转换后送FPGA模块；
FPGA模块，与模数转换器模块连接，由电压比较器、电流比较器、乘法器、电压与电流双环PI控制单元，PWM信号发生单元构成，根据模数转换器模块工作时序对信号进行处理，实现有效的采样数据的存储、接口电路的时序控制以及采样结束后对采样数据做预处理的功能；
驱动电路模块，与FPGA实现模块连接，用于接收PWM信号发生单元的输出，控制功率因数校正变换器主电路模块中功率MOSFET的导通和关断，最终实现功率因数校正。
2.如权利要求1所述的功率因数校正装置，其特征在于，所述功率因数校正装置选用Boost拓扑结构并采用平均电流控制方法，采用了电压与电流双闭环PI控制策略，以NiosII嵌入式软核处理器作为系统数字控制微处理器，以FPGA作为协处理器。
3.如权利要求1所述的功率因数校正装置，其特征在于，所述功率因数校正装置的FPGA模块采用VHDL语言编程，在FPGA芯片中完成了AD采集的时序控制，电压与电流的双环PI控制、PWM信号的产生。
4.如权利要求1所述的功率因数校正装置，其特征在于，所述功率因数校正装置在SOPC Builder中将已实现功能的各模块和外设接口添加到Avalon总线上，最终构建完成PFC系统的NiosII嵌入式软核处理器系统，并在NiosII9.0IDE开发环境中编写主程序和中断程序以及相应驱动程序来协调控制系统各外设模块，通过系统软硬件协同工作，高效可靠的实现预期控制目标，电流PI控制单元的输出送入搭建好的NiosII嵌入式软核处理器系统中，通过定制PWM组件及软件控制，最终实现PWM波形的自动调节，将PWM信号发生单元的输出接口通过驱动电路控制功率MOSFET的导通和关断，实现功率因数校正。
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