CN108111011B - 宽工作频率范围交错pfc的动态自适应数字调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法，该调整方法在交错PFC的控制环路中增加一个动态调整器来实现根据交错PFC的输入电压频率变化的动态自适应参数调整。基本工作过程如下：1)根据输入电压采样信号计算得到输入电压频率；2)判断输入电压频率是否超出范围，并依据判断结果进行参数的实时自适应调整更新；3)通过加权平均算法得到输入电压平均信号；4)基于调整结果实现实时动态调整输入电压采样信号。该自适应调整方法不仅可以消除输入电压信号中的高频尖峰，且保证输入电压信号不失真，较好解决传统方法下交错PFC由于宽工作频率范围所带来的保护与功率因数校正的矛盾。

Description

宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法。
背景技术
交错PFC在中高功率设备的功率因数校正领域应用广泛，在相同功率下，相较于其他PFC拓扑，交错PFC具有性能优越、提高模块的功率密度等优点。随着电力电子技术的发展，采用数字控制技术的交错PFC模块受到了越来越多的关注。由于数字技术的灵活控制等特性，使得电力电子领域基于模拟控制难以解决的问题可以得到有效的解决方案。
模拟芯片控制的交错PFC，通常工作在工频输入电压，频率变化范围小，可以较好的满足需求。但在航空航天领域，通常需要PFC模块用于工作在360Hz到800Hz之间的宽频率输入范围内，此时输入电压的滤波保护和系统的高功率因数实现上存在着矛盾。随着数字芯片的普遍应用，采用数字控制方式能对上述问题的提供有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，结合数字技术控制的优点与灵活性，提出一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法，在交错PFC的控制环路中加入动态调整器，且动态调整器的动态自适应调整方法的过程如下：
S1、初始化工作，先通过采样获取到输入电压采样信号；
S2、根据获取到的输入电压采样信号计算得到输入电压的频率；
S3、再判断输入电压的频率与上一拍计算的输入电压频率误差是否在一定范围内；
S4、若输入频率误差在一定范围内，视为频率恒定，则不做参数调整；
S5、若频率变化超过一定范围，计算出新的加权参数并将加权平均算法公式的参数更改为新的加权参数；
S6、接着根据加权平均算法公式计算得到输入电压平均信号；
S7、获取新的输入电压采样信号，再次循环执行步骤S1-S6，基于调整结果实现实时动态调整输入电压采样信号。
进一步地，所述的步骤S2中输入电压的频率计算根据采样获取的输入电压信号计算其频率，首先在数字控制器运行时，设置采样时间t，其中t＜＜输入电压周期，在每个采样时间对采样到的输入电压进行过零判断，若采样得到的输入电压第一次过零，将计数N重置为零；其后每隔一段时间t对输入电压继续进行过零判断，若不过零则将N加1处理，直至再次过零，将N记录，并再次重置为零；其中，输入电压的频率计算公式如下：
进一步地，所述的步骤S3中对输入电压频率误差进行判断，其对频率变化是否超过一定范围的判断公式如下：
其中，为当前输入电压的频率，为上一拍输入电压的频率，error为误差范围。
进一步地，所述的加权平均算法的输出平均计算值可由下式得到
Yn＝aXn+bXn-1+cXn-2+dYn-1+eYn-2 (3)
其中Xn为当前输入电压的采样值，Xn-1为上一拍采样时输入电压的采样值，Xn-2表示上两拍采样时输入电压的采样值，Yn-2表示上两拍平均计算值，Yn-1表示上一拍平均算法的输出计算值，Yn表示此次平均输出计算值。
进一步地，所述的步骤S5中新的加权平均参数计算中，其加权平均参数与输入频率的关系如下：
其中T为采样周期，a,b,c,d,e为加权平均公式(3)中的加权参数。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明采用数字控制方法实现，根据输入电压频率自动调整其加权平均算法的参数，改善了宽工作频率范围交错PFC的功率因数和保护性能，提高了交错PFC对宽工作频率的适应性。
2、本发明公开的算法可由软件实现，易于修改参数，节省空间，降低成本。
附图说明
图1是本发明采用的动态调整器的结构图；
图2是本发明采用的动态自适应调整方法的流程图；
图3是实施例中的交错PFC的主功率模块和数字控制模块的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
为了适应在宽工作频率范围输入下交错PFC的功率因数校正，采用动态自适应数字调整方法对其调整，使其满足宽范围输入条件下的性能要求。该动态自适应数字调整方法主要在交错PFC控制环路中的输入采样环节和乘法器环节之间增加了一个动态调整器。图1为本发明采用的动态调整器的结构图，图2为本发明实现的工作流程。
S1、初始化工作，通过采样模块工作获取到的输入电压采样信号Vin，根据计算得到输入电压的频率
S2、判断输入电压的频率与上一拍计算的输入电压频率误差是否在一定范围内。
S3、若输入频率误差在一定范围内，视为频率恒定，则不做参数调整。
S4、若频率变化超过一定范围，则通过参数计算出新的加权参数。
S5、加权平均算法的参数更改为新的加权参数。
S6、输入电压信号通过加权平均算法计算得到输入电压平均信号。
S7、最终计算完成后，回到采样部分获取新的输入电压采样信号，再次循环执行此流程。
下面对各个部分的工作原理进行说明。
动态自适应数字调整方法原理：在宽工作频率范围输入的交错PFC模块数字控制中，若使用固定的加权平均算法过滤电压尖峰，保护作用与性能之间无法平衡。为了解决这种问题，在数字控制部分中的采样模块和乘法器之间加入动态调整器。使其能够随输入电压频率自动调整算法参数，实现保护作用与性能之间的平衡。
输入电压频率计算的工作原理：在数字控制器运行时，设置采样时间t(t＜＜输入电压周期)，在每个采样时间对采样到的输入电压进行过零判断。若采样得到的输入电压第一次过零，将计数N重置为零；其后每隔一段时间t对输入电压继续进行过零判断，若不过零则将N加1处理，直至再次过零，将N记录，并再次重置为零。可以得到输入电压的频率如式(1)：
判断电压频率误差的基本原理：上述输入电压频率的计算每时每刻均在进行，输入电压频率由于各种原因可能导致一定的误差，若不对其进行判断操作，系统可能调整过快，不利于系统的稳定。为了解决这个问题，对其得到的输入电压频率与前一次得到的输入电压频率进行对比，若误差在一定范围之内则不进行参数调整。其误差范围error也可根据实际调整，使其更好满足系统的动态快速性能。其判断公式如式(2)：
加权平均算法与参数调整的工作原理：为了得到较好的保护性能且输入电压信号不失真，综合考虑，在这里采用二阶巴特沃斯低通滤波器推导得到的加权平均算法公式对输入电压信号进行处理，推导过程如下。动态调整模块中使用二阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为
其中代入式(3)中可得
采用双线性变换法实现离散化，则并选定T为采样周期，代入式(4)可得
将式(5)转换成为差分方程，可得加权平均算法公式如下：
Yn＝aXn+bXn-1+cXn-2+dYn-1+eYn-2 (6)
其中
Xn为当前输入电压的采样值，Xn-1为上一拍采样时输入电压的采样值，Xn-2表示上两拍采样时输入电压的采样值，Yn-2表示上两拍平均计算值，Yn-1表示上一拍平均算法的输出计算值，Yn表示此次平均输出计算值。
如图3所示，交错PFC控制环路的结构主要包括采样模块1、动态调整器2、电流控制器3、乘法器4、PWM发生器5、电压控制器6等主要结构。所述动态调整器2主要位于采样模块1与乘法器4之间。
交错PFC主功率电路的基本技术规格如下：输入电压范围为85-265V,输入电压频率范围为360-800Hz，输出功率为1000W，输出电压为390V,开关频率为130KHz，效率为96％，功率因数为0.99。主功率模块基本参数为：电感感量L1＝L2＝100uH，电容容量C＝1000uF，电阻阻值R＝150Ω。控制调整电路使用TI公司的数字电源芯片UCD3138搭建完成。
整个电路的基本工作过程如下：
1、首先交错PFC主功率电路开始工作，通过电压和电流传感器可以得到初始的输入电压、输出电压以及输入电流信号。
2、初始的输入电压、输出电压以及输入电流送入数字控制器的采样模块1中，将这些模拟信号转换成数字信号Vin *、Iin *和Vout *，为之后的数字控制计算做好准备。
3、采样得到的数字信号Vin *送入动态调整器2中，由动态调整器2对其进行平均化处理去除高频尖峰，动态调整器算法的基本流程如图2所示。
S1.初始化工作，通过采样模块工作获取到的输入电压采样信号Vin，根据计算得到输入电压的频率
S2.判断输入电压的频率与上一拍计算的输入电压频率误差是否在一定范围内。
S3.若输入频率误差在一定范围内，视为频率恒定，则不做参数调整。
S4.若频率变化超过一定范围，则通过参数计算出新加权参数。
S5.加权平均算法参数更改为获取的新加权参数。
S6.输入电压信号通过加权平均算法计算得到输入电压平均信号Vt。
S7.最终计算完成后，输入电压平均信号Vt送入下环节,获取新的输入电压采样信号，回到输入电压频率计算再次循环执行此流程。
1、加权平均处理后的平均输入信号Vt送入乘法器4中，与电压控制器6的输出信号Vea相乘，得到电流环基准信号Vm。其中电压控制器的输出信号Vea由输出电压信号与电压环反馈信号的误差经PID计算处理得到，主要控制输出电压的稳定。
2、得到电流环基准信号Vm是一个正弦波信号，采样得到的输入电流信号Iin *与其误差送入电流控制器3后得到电流控制器输出Vca。
3、电流控制器3输出Vca送入PWM发生器5中，与两路相位相差180°的三角波比较，得到两路交错的PWM控制信号，分别控制两个开关管，实现功率因数校正。若电流控制器输出Vca增大，则占空比减小；若电流控制器输出Vca减小，则占空比增大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法，其特征在于，在交错PFC的控制环路中加入动态调整器，其中，动态调整器设置于控制环路中的输入采样环节和乘法器环节之间，且动态调整器的动态自适应调整方法的过程如下：
S1、初始化工作，先通过采样获取到输入电压采样信号；
S2、根据获取到的输入电压采样信号计算得到输入电压的频率；
所述的步骤S2中输入电压的频率计算根据采样获取的输入电压信号计算其频率，首先在数字控制器运行时，设置采样时间t，其中t<<输入电压周期，在每个采样时间对采样到的输入电压进行过零判断，若采样得到的输入电压第一次过零，将计数N重置为零；其后每隔一段时间t对输入电压继续进行过零判断，若不过零则将N加1处理，直至再次过零，将N记录，并再次重置为零；其中，输入电压的频率计算公式如下：
S3、再判断输入电压的频率与上一拍计算的输入电压频率误差是否在一定范围内；
S4、若输入频率误差在一定范围内，视为频率恒定，则不做参数调整；
S5、若频率变化超过一定范围，计算出新的加权参数并将加权平均算法公式的参数更改为新的加权参数；
S6、接着根据加权平均算法公式计算得到输入电压平均信号；
S7、获取新的输入电压采样信号，再次循环执行步骤S1-S6，基于调整结果实现实时动态调整输入电压采样信号。
2.根据权利要求1所述的一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法，其特征在于，所述的步骤S3中对输入电压频率误差进行判断，其对频率变化是否超过一定范围的判断公式如下：
其中，为当前输入电压的频率，为上一拍输入电压的频率，error为误差范围。
3.根据权利要求1所述的一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法，其特征在于，所述的加权平均算法的输出平均计算值可由下式得到
Yn＝aXn+bXn-1+cXn-2+dYn-1+eYn-2 (3)
其中Xn为当前输入电压的采样值，Xn-1为上一拍采样时输入电压的采样值，Xn-2表示上两拍采样时输入电压的采样值，Yn-2表示上两拍平均计算值，Yn-1表示上一拍平均算法的输出计算值，Yn表示此次平均输出计算值。
4.根据权利要求3所述的一种针对宽工作频率范围交错PFC的动态自适应数字调整方法，其特征在于，所述的步骤S5中新的加权平均参数计算中，其加权平均参数与输入频率的关系如下：
其中T为采样周期，a,b,c,d,e为加权平均公式(3)中的加权参数。
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