CN109687795A - Pfc电路控制方法、装置、pfc电路及电机驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及PFC控制领域，公开了一种PFC电路控制方法、装置、PFC电路及电机驱动电路，通过获取控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压，并以此生成母线参考电压，并获取PFC电路输出的母线电压，以确定升压比系数，接着获取PFC电路的输入电流，以确定输入平均电流，以此确定驱动PFC电路的开关管的占空比，最后根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。以此使得升压比系数跟随母线参考电压和母线电压变化，能保证在超低压环境下升压比系数的合理设置，最终以此根据升压比系数确定的占空比去控制PFC电路的开关管工作，得到一个合理的母线电压。从而保证电机驱动电路处于合适的状态，保证电路中的器件安全不至损坏。

Description

PFC电路控制方法、装置、PFC电路及电机驱动电路
技术领域
本发明涉及PFC控制领域，具体涉及一种PFC电路控制方法、装置、PFC电路及电机驱动电路。
背景技术
功率因素校正(Power Factor Correction，PFC)电路在目前变频家电如变频空调、冰箱或洗衣机等家电设备上应用广泛，目前在设计PFC电路时，一般只针对电源电压为160V-220V范围来设计直流母线电压的范围和PFC控制器的升压比系数的范围。而在区域电网，尤其是农村电网中，电网带载能力差，负载大时电压下降厉害，如在夏天空调使用较多的时间段电网的电源电压被严重拉低到140V左右，因而使得PFC电路在此时无法工作导致变频家电因电压不足而停机。
发明内容
本发明的目的是提供一种PFC电路控制方法、装置、PFC电路及电机驱动电路，目的在于解决现有的PFC电路由于不能适应超低电压环境而导致相应的变频家电无法在此电压环境下工作而停机问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种PFC电路控制方法，PFC电路应用于电机驱动电路，电机驱动电路包括整流电路、控制器和逆变器，PFC电路控制方法包括：
获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压；
根据目标转速值、的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压；
获取PFC电路输出的母线电压，并根据母线参考电压和母线电压确定升压比系数；
获取PFC电路的输入电流，并根据输入电流确定PFC电路的输入平均电流；
根据升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动PFC电路的开关管的占空比；
根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。
可选地，升压比系数范围为π/2至π。
可选地，在确定升压比系数之后，PFC电路控制方法还包括：
获取PFC电路的输出电流；
根据输出电流、母线电压和输入平均电流确定PFC电路输入的电源电压的有效值；
根据升压比系数范围、电源电压的有效值、以及母线电压的最大和最小值对升压比系数进行修正。
可选地，PFC电路控制方法还包括：
获取开关管的温度；
根据温度对升压比系数进行修正。
为了实现上述目的，本发明还提供一种PFC电路控制装置，电机驱动电路包括整流电路、控制器和逆变器，PFC电路控制装置包括：
电压采样模块，用于采集PFC电路输出的母线电压；
输入电流采样模块，用于采集PFC电路的输入电流；
控制器被配置成：获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压，根据目标转速值、的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压，从电压采样模块获取PFC电路输出的母线电压，并根据母线参考电压和母线电压确定升压比系数，从输入电流采样模块获取PFC电路的输入电流，并根据输入电流确定PFC电路的输入平均电流，根据升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动PFC电路的开关管的占空比，根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。
可选地，升压比系数范围为π/2至π。
可选地，PFC电流控制装置还包括输出电流采样模块，以采集PFC电路的输出电流；在确定升压比系数之后，控制器还被配置成：
从输出电流采样模块获取输出电流；
根据输出电流、母线电压和输入平均电流确定PFC电路输入的电源电压的有效值；
根据升压比系数范围、电源电压的有效值、以及母线电压的最大和最小值对升压比系数进行修正。
可选地，控制器还被配置成：获取开关管的温度，根据温度对升压比系数进行修正。
为了实现上述目的，本发明还提供一种PFC电路，PFC电路包括电感、开关管和快速恢复二极管，PFC电路还包括上述的PFC电路控制装置；
电感的一端为PFC电路的输入端正极，电感的另一端和开关管的输入端以及快速恢复二极管的阳极共接，快速恢复二极管的阴极为PFC电路的输出端正极，开关管的输出端连接PFC电路的输出端负极，开关管的控制端为PFC电路的控制端。
为了实现上述目的，本发明还提供一种电机驱动电路，电机驱动电路包括整流模块、滤波模块，电机驱动电路还包括上述的PFC电路；
整流模块输出端连接PFC电路的输入端，整流模块用于对输入到电机驱动电路的交流电进行整流输出脉动直流电；
滤波模块连接PFC电路的输出端，用于对PFC电路输出的直流电进行滤波，输出平滑直流电，滤波模块连接直流母线，并通过直流母线为电机驱动电路进行供电。
通过上述技术方案，本发明的PFC电路控制方法，通过获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压，并根据目标转速值、基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压，并获取PFC电路输出的母线电压，根据母线参考电压和母线电压确定升压比系数，接着获取PFC电路的输入电流，并根据输入电流确定PFC电路的输入平均电流，根据升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动PFC电路的开关管的占空比，最后根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。由于根据母线参考电压和母线电压通过PI调节器的方式确定升压比系数，以此使得升压比系数跟随母线参考电压和母线电压变化，能保证在超低压环境下升压比系数的合理设置，最终以此根据升压比系数确定的占空比去控制PFC电路的开关管工作，得到一个合理的母线电压。从而保证电机驱动电路处于合适的状态，保证电路中的器件安全不至损坏。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例的PFC电路控制方法的电机驱动电路的电路示意图；
图2是本发明实施例的PFC电路控制方法的流程图；
图3是图1中控制器中的电机控制部的内部框图；
图4是图3中母线电压参考值计算模块的内部框图；
图5是计算升压比系数的PI调节器的功能框图；
图6是输入电流、控制周期和平均电流的波形示意图；
图7是输入电流、输入电流幅值和输入平均电流的的波形示意图；
图8是占空比与升压比系数的变化关系示意图；
图9是整流模块输出的平均电压值、整流模块输出的电压、整流模块输出的电压幅值、交流输入电压和母线电压波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明的实施例提出PFC电路控制方法，该PFC电路用于电机驱动电路，该电机为永磁同步电机，如图1所示电机驱动电路简化电路图，该电机驱动电路包括整流模块60、PFC模块50、滤波模块70、控制器10、逆变器80、电压采样模块30、输入电流采样模块20和输出电流采样模块40，其中整流模块60将输入的交流电整流成脉动直流电，该电路可以是图中的桥式整流电路；PFC模块50用于对整流模块60输出的脉动直流电进行功率因素校正，滤波模块70对PFC模块50输出的直流电进行滤波，转换成平滑直流电，该滤波模块70主要由大容量的电解电容(如400uF/450V)，并通过连接直流母线对逆变器80进行供电；电压采样模块30用于采集上述直流母线电压Vdc输出到控制器10，输入电流采样模块20主要由单电阻R1组成，串联于整流模块60与PFC模块50的电源线路中，用于采集从整流模块60输出进入到PFC模块50的输入电流Ibd，而输出电流采样模块40串联主要有单电阻R2组成，串联于直流母线回来中，用于采集母线电流Idc，控制器10用于生成控制PFC模块50的开关管IGBT工作的PWM信号，以控制PFC模块50工作；同时控制器10还根据母线电流Idc通过计算生成该逆变器80驱动电机90的三相绕组的三相电流，控制器10根据上述直流母线电压Vdc和三相电流进行矢量控制，最终生成驱动逆变器80的六路开关管的PWM信号，以控制逆变器80驱动电机90运行。
如图2所示，基于上述电机驱动电路的PFC电路控制方法包括：
步骤S210、获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压；
步骤S220、根据目标转速值、的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压；
步骤S230、获取PFC电路输出的母线电压，并根据母线参考电压和母线电压确定升压比系数；
步骤S240、获取PFC电路的输入电流，并根据输入电流确定PFC电路的输入平均电流；
步骤S250、根据升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动PFC电路的开关管的占空比；
步骤S260、根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。
在步骤S210中，在控制器10控制输出PWM信号控制逆变器80驱动电机90运行时，其控制器10内部进行矢量控制计算，具体通过控制器10内部的电机控制部12执行，实现对不同坐标系下的矢量进行变换，其电机控制部12进行矢量变换的框图如图3所示，其中：
输出电流采样模块40采集的母线电流Idc输入到单电阻电流采样器129，经其转换成三相电流ia，ib，ic；
三相电流ia，ib，ic经Clarke变换器126进行三相静止坐标系-两相静止坐标系的转换，得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ；
两相静止坐标系下的电流iα、iβ与上一控制PWM周期计算得到的两相静止坐标系的电压Vα和Vβ，通过速度/位置观测器124计算得到电机90的电角速度ωr以及转子磁场角度θr；
两相静止坐标系下的电流iα、iβ通过Park变换器125得到基于两相旋转坐标系的反馈电流id，iq；
目标转速值ωr*与电角速度ωr通过速度调节器121得到两相旋转坐标系的电流参考id*、iq*；
两相旋转坐标系电流参考id*、iq*与反馈电流id、iq通过电流调节器122得到两相旋转坐标系的电压Vd、Vq；
两相旋转坐标系下的电压Vd、Vq通过Park逆变换器123得到两相静止坐标系的电压Vα、Vβ；
两相静止坐标系的电压Vα、Vβ，以及电压采样模块30采样的母线电压Vdc，通过PWM模块127计算得到逆变器驱动PWM信号，完成对电机70的转速控制。
这些具体的矢量变换公式为现有技术，在此不再展开。
在步骤S220中，根据目标转速值ωr*和基于两相旋转坐标系的参考电流和电压id*、iq*、Vd、Vq生成母线参考电压Vdc_ref时，具体通过母线电压参考值计算模块128进行计算，其压参考值计算模块128的内部框图如图4所示，具体通过以下公式进行计算：
其中Rs为电机定子电阻，Ld和Lq分别为电机70的dq轴电感。
为保证整个电机驱动电路的正常运行，上述计算出来的母线参考电压Vdc_ref需进一步进行限定，去取值范围为母线电压的最小值Vdc_min和最大值Vdc_max之间。其中Vdc_max的选择基于电机驱动电路中器件耐压值，如滤波模块70中的电解电容的耐压值和逆变器80中的智能功率模块(IPM)的耐压值，一般选择为不大于电路中所有器件的最低耐压值，且留有一定余量，而Vdc_min的选择基于电机70的性能输出要求，在针对220V输入交流电工作的家用电器中，一般Vdc_min＝400V，Vdc_min＝200V。
步骤S230中，进一步通过电压采样模块30获取PFC电路输出的母线电压Vdc，并根据母线电压Vdc和上述步骤中确定的母线参考电压Vdc_ref通过PI调节器计算得到升压比系数Ka，具体在PFC控制部11中执行。以第K个对IGBT管的PWM控制周期为例，此时对应的母线电压为Vdc(k)，母线参考电压为Vdc_ref(k)，经PI调节器计算得到的升压比系数Ka(k)计算公式如下：
Ka(k)＝kp[Vdc_ref(k)-Vdc(k)]+kiTs[Vdc_ref(k)-Vdc(k)]+Ka(k-1)
PI调节器的功能框图如图5所示，其中Kp为PI调节器112的比例系数，Ki为PI调节器112的积分系数，1/s为积分算子。
在步骤S240-S260中，通过输入电流采样模块20采集输入电流Ibd，该电流为整流桥堆60的输出电流，这里以第K个对IGBT管的PWM控制周期为例，在一个输入电流周期T内平均电流Ibd_ave为：
其中Ts为PWM控制周期，单位计算步长，T为输入电流Ibd的周期，N为输入电流周期个数，输入电流Ibd和控制周期Ts、平均电流Ibd_ave的波形示意图如图6所示，该输入电流Ibd为整流模块60输出的电流，从图6中可看出，其周期为外界输入交流周期的一半，如以220V/50Hz交流电为例，此时T为10ms。结合上述公式可知，每个输入电流周期T更新一次平均电流Ibd_ave，以当前为第N个输入电流周期为例，如果当前的控制周期Ts为当前输入电流Ibd的周期内的最后一个计算步长，则可直接计算出当前周期内的平均电流Ibd_ave(N)，否则采用前一个输入电流周期的平均电流Ibd_ave(N-1)，第N个周期的平均电流Ibd_ave计算公式为：
其中n＝T/Ts
然后在基于PFC控制中的单周期算法，计算开关管IGBT的占空比D为：
最后PFC控制部11根据上述占空比输出对应的PWM控制信号以控制开关管IGBT工作，以此实现了对PFC电路进行功率因素校正的控制。
本发明实施例的PFC电路控制方法，通过获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压，并根据目标转速值、基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压，并获取PFC电路输出的母线电压，根据母线参考电压和母线电压确定升压比系数，接着获取PFC电路的输入电流，并根据输入电流确定PFC电路的输入平均电流，根据升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动PFC电路的开关管的占空比，最后根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。由于根据母线参考电压和母线电压通过PI调节器的方式确定升压比系数，以此使得升压比系数跟随母线参考电压和母线电压变化，能保证在超低压环境下升压比系数的合理设置，最终以此根据升压比系数确定的占空比去控制PFC电路的开关管工作，得到一个合理的母线电压。从而保证电机驱动电路处于合适的状态，保证电路中的器件安全不至损坏。
进一步的，在上述计算得到升压比系数Ka(k)后，还进一步对其范围进行限制修正。
根据占空比D的计算公式：
其中输入电流Ibd与输入电流幅值Ibd_mag的计算式为：
Ibd＝Ibd_mag|sinθ|，
则一个输入电流的周期内平均值Ibd_ave为：
其中Ibd、Ibd_mag和Ibd_ave的波形示意图关系如图7所示，将Ibd和Ibd_ave的计算公式代入上述占空比D计算公式可得：
以此可得占空比D与升压比系数Ka的关系如图8所示，由图8可知，当Ka<π/2时，占空比D出现小于0的情况，这是实际控制不允许的，所以D被限制在0，这时开关管IGBT出现不导通的区域，意味着交流侧电流不可控，会导致电流畸变出现尖峰，同时功率因数远远小于1的情况，所以Ka需大于或等于π/2。
当Ka>π时，占空比D曲线全部在0.5数值以上，即PFC功率开关器件IGBT导通时刻永远大于关断时刻，这时交流侧电流谐波较大，另外IGBT器件导通时间较长，发热严重，所以Ka需小于π。
因而上述升压比系数Ka取值范围为π/2～π。
进一步的，当电机驱动电路运行于低电源电压环境下时，母线电压参考值Vdc_ref需介于Vdc_min和Vdc_max之间，因此还需要进一步对升压比系数Ka的范围进行限制修正。
根据由母线参考电压Vdc_ref和母线电压平均值Vbd_ave确定的升压比系数Ka的计算公式：
其中Vbd_ave为整流模块60输出的平均电压值，也即输入到PFC模块50的平均电压值，其Vbd_ave、整流模块60输出的电压Vbd、母线电压Vdc、交流输入电压Vac和整流模块60输出的电压幅值Vac_mag的波形关系如图9所示，由图9可得到Vbd_ave的计算公式为：
因此可得：
因为Vdc_min≤Vdc_ref≤Vdc_max，可得：
又因为π/2≤Ka≤π，因此升压比系数Ka进一步限制为：
根据由母线电压Vdc和母线电压平均值Vbd_ave确定的升压比系数Ka的计算公式：并将上述Vbd_ave计算公式代入可得：因此可得时间母线电压范围为：
当Vdc_min＝200V，Vdc_max＝400V时，升压比系数Ka的范围与可输出的母线电压Vdc范围随着交流电压有效值Vac_rms的变化的关系如下表所示：
即在不同的电源电压有效值Vac_rms时对升压比系数Ka的范围做进一步限制。
值得说明的是，由于在上述PFC电路中，未对交流侧的电压进行采样，因此只能通过功率守恒的方式近似计算Vac_rms，如下式所示：
其中Idc为输出电流采样模块40采集的母线电流。
通过上述占空比D与升压比系数Ka的计算公式对升压比系数确定范围为π/2～π，并进一步通过其与电源电压有效值Vac_rms的变化关系对其进行限定，以此实现了当电源电压处于低压环境下(110V-220V)时，针对不同的电源电压有效值Vac_rms指定升压比Ka的范围，以此使得PFC电脑在当前低电压环境下得到不同的合理的母线电压Vdc，从而使得整个电机驱动电路驱动的电机负载(电机也泛指压缩机等负载)处于一个合适的工作状态，能使得对应的变频家电设备在低电压环境仍能输出有效的制冷/制热能力，并保证在此工作状态下PFC电路的器件安全不至损坏。
进一步的，上述PFC电路控制方法还包括：获取开关管的温度，根据温度对升压比系数Ka进行修正。
由于在PFC电路工作过程中，受所处的外部环境和开关管IGBT所处的散热条件的影响，其开关管IGBT的温升情况不同，当环境温度高和散热不好时，开关管IGBT的温升可能会相对的高如开关管的温度达到60℃以上，此时为了防止开关管工作温度过高而损坏，需要进一步调整升压比系数Ka，将其最大值降低，使得控制开关管工作的占空比D减小，以此降低开关管的开通时间，降低其温升，使得开关管处于安全的温升范围。
如在考虑了开关管的温度后对升压比系数Ka的最大值进一步进行修正后的结果如下：
本发明的实施例还提出一种PFC电路控制装置，该PFC电路用于电机驱动电路，如图1所示电机驱动电路简化电路图，该电机驱动电路包括整流模块60、PFC模块50、滤波模块70、控制器10和逆变器80，其中整流模块60将输入的交流电整流成脉动直流电，该电路可以是图中的桥式整流电路；PFC模块50用于对整流模块60输出的脉动直流电进行功率因素校正，滤波模块70对PFC模块50输出的直流电进行滤波，转换成平滑直流电，该滤波模块70主要由大容量的电解电容(如400uF/450V)，并通过连接直流母线对逆变器80进行供电。该PFC电路控制装置包括：
电压采样模块30，用于采集PFC电路输出的母线电压；
输入电流采样模块20，用于采集PFC电路的输入电流；
控制器10被配置成：
获取电机90的目标转速值ωr*，以及控制器10产生的基于两相旋转坐标系的参考电流id*、iq*和电压Vd、Vq，根据目标转速值ωr*、的基于两相旋转坐标系的参考电流id*、iq*和电压Vd、Vq生成母线参考电压Vdc_ref，从电压采样模块30获取PFC电路输出的母线电压Vdc，并根据母线参考电压Vdc_ref和母线电压Vdc确定升压比系数Ka，从输入电流采样模块20获取PFC电路的输入电流Ibd，并根据输入电流Ibd确定PFC电路的输入平均电流Ibd_ave，根据升压比系数Ka、输入平均电流Ibd_ave和输入电流Ibd确定驱动PFC电路的开关管的占空比D，根据占空比D控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。
控制器10控制输出PWM信号控制逆变器80驱动电机90运行时，其控制器10内部进行矢量控制计算，具体通过控制器10内部的电机控制部12执行，实现对不同坐标系下的矢量进行变换，其电机控制部12进行矢量变换的框图如图3所示，其中：
输出电流采样模块40采集的母线电流Idc输入到单电阻电流采样器129，经其转换成三相电流ia，ib，ic；
三相电流ia，ib，ic经Clarke变换器126进行三相静止坐标系-两相静止坐标系的转换，得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ；
两相静止坐标系下的电流iα、iβ与上一控制PWM周期计算得到的两相静止坐标系的电压Vα和Vβ，通过速度/位置观测器124计算得到电机90的电角速度ωr以及转子磁场角度θr；
两相静止坐标系下的电流iα、iβ通过Park变换器125得到基于两相旋转坐标系的反馈电流id，iq；
目标转速值ωr*与电角速度ωr通过速度调节器121得到两相旋转坐标系的电流参考id*、iq*；
两相旋转坐标系电流参考id*、iq*与反馈电流id、iq通过电流调节器122得到两相旋转坐标系的电压Vd、Vq；
两相旋转坐标系下的电压Vd、Vq通过Park逆变换器123得到两相静止坐标系的电压Vα、Vβ；
两相静止坐标系的电压Vα、Vβ，以及电压采样模块30采样的母线电压Vdc，通过PWM模块127计算得到逆变器驱动PWM信号，完成对电机70的转速控制。
这些具体的矢量变换公式为现有技术，在此不再展开。
根据目标转速值ωr*和基于两相旋转坐标系的参考电流和电压id*、iq*、Vd、Vq生成母线参考电压Vdc_ref时，具体通过母线电压参考值计算模块128进行计算，其压参考值计算模块128的内部框图如图4所示，具体通过以下公式进行计算：
其中Rs为电机定子电阻，Ld和Lq分别为电机70的dq轴电感。
为保证整个电机驱动电路的正常运行，上述计算出来的母线参考电压Vdc_ref需进一步进行限定，去取值范围为母线电压的最小值Vdc_min和最大值Vdc_max之间。其中Vdc_max的选择基于电机驱动电路中器件耐压值，如滤波模块70中的电解电容的耐压值和逆变器80中的智能功率模块(IPM)的耐压值，一般选择为不大于电路中所有器件的最低耐压值，且留有一定余量，而Vdc_min的选择基于电机70的性能输出要求，在针对220V输入交流电工作的家用电器中，一般Vdc_min＝400V，Vdc_min＝200V。
通过电压采样模块30获取PFC电路输出的母线电压Vdc，并根据母线电压Vdc和上述步骤中确定的母线参考电压Vdc_ref通过PI调节器计算得到升压比系数Ka，具体在PFC控制部11中执行。以第K个对IGBT管的PWM控制周期为例，此时对应的母线电压为Vdc(k)，母线参考电压为Vdc_ref(k)，经PI调节器计算得到的升压比系数Ka(k)计算公式如下：
Ka(k)＝kp[Vdc_ref(k)-Vdc(k)]+kiTs[Vdc_ref(k)-Vdc(k)]+Ka(k-1)
PI调节器的功能框图如图5所示，其中Kp为PI调节器112的比例系数，Ki为PI调节器112的积分系数，1/s为积分算子。
通过输入电流采样模块20采集输入电流Ibd，该电流为整流桥堆60的输出电流，这里以第K个对IGBT管的PWM控制周期为例，在一个输入电流周期T内平均电流Ibd_ave为：
其中Ts为PWM控制周期，单位计算步长，T为输入电流Ibd的周期，N为输入电流周期个数，输入电流Ibd和控制周期Ts、平均电流Ibd_ave的波形示意图如图6所示，该输入电流Ibd为整流模块60输出的电流，从图6中可看出，其周期为外界输入交流周期的一半，如以220V/50Hz交流电为例，此时T为10ms。结合上述公式可知，每个输入电流周期T更新一次平均电流Ibd_ave，以当前为第N个输入电流周期为例，如果当前的控制周期Ts为当前输入电流Ibd的周期内的最后一个计算步长，则可直接计算出当前周期内的平均电流Ibd_ave(N)，否则采用前一个输入电流周期的平均电流Ibd_ave(N-1)，第N个周期的平均电流Ibd_ave计算公式为：
其中n＝T/Ts
然后在基于PFC控制中的单周期算法，计算开关管IGBT的占空比D为：
最后PFC控制部11根据上述占空比输出对应的PWM控制信号以控制开关管IGBT工作，以此实现了对PFC电路进行功率因素校正的控制。
本发明实施例的PFC电路控制装置，通过获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压，并根据目标转速值、的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压，并通过电压采样模块30获取PFC电路输出的母线电压，根据母线参考电压和母线电压确定升压比系数，接着通过输入电流采样模块20获取PFC电路的输入电流，并根据输入电流确定PFC电路的输入平均电流，根据升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动PFC电路的开关管的占空比，最后根据占空比控制开关管进行开关动作以控制PFC电路工作。由于根据母线参考电压和母线电压通过PI调节器的方式确定升压比系数，以此使得升压比系数跟随母线参考电压和母线电压变化，能保证在超低压环境下升压比系数的合理设置，最终以此根据升压比系数确定的占空比去控制PFC电路的开关管工作，得到一个合理的母线电压。从而保证电机驱动电路处于合适的状态，保证电路中的器件安全不至损坏。
进一步的，在上述计算得到升压比系数Ka(k)后，还进一步对其范围进行限制修正。
根据占空比D的计算公式：
其中输入电流Ibd与输入电流幅值Ibd_mag的计算式为：
Ibd＝Ibd_mag|sinθ|，
则一个输入电流的周期内平均值Ibd_ave为：
其中Ibd、Ibd_mag和Ibd_ave的波形关系如图7所示，将Ibd和Ibd_ave的计算公式代入上述占空比D计算公式可得：
以此可得占空比D与升压比系数Ka的关系如图8所示，由图8可知，当Ka<π/2时，占空比D出现小于0的情况，这是实际控制不允许的，所以D被限制在0，这时开关管IGBT出现不导通的区域，意味着交流侧电流不可控，会导致电流畸变出现尖峰，同时功率因数远远小于1的情况，所以Ka需大于或等于π/2。
当Ka>π时，占空比D曲线全部在0.5数值以上，即PFC功率开关器件IGBT导通时刻永远大于关断时刻，这时交流侧电流谐波较大，另外IGBT器件导通时间较长，发热严重，所以Ka需小于π。
因而上述升压比系数Ka取值范围为π/2～π。
进一步的，PFC电流控制装置还包括输出电流采样模块40，以采集PFC电路的输出电流；在确定升压比系数之后，控制器10还被配置成：
从输出电流采样模块40获取输出电流，根据输出电流、母线电压和输入平均电流确定PFC输入的电源电压的有效值，根据升压比系数范围和PFC输入的电源电压的有效值、以及母线电压的最大和最小值进一步对升压比系数进行修正。
当电机驱动电路运行于低电源电压环境下时，母线电压参考值Vdc_ref需在Vdc_min和Vdc_max之间变化，因此还需要进一步对升压比系数Ka的范围进行限制修正。
根据由母线参考电压Vdc_ref和母线电压平均值Vbd_ave确定的升压比系数Ka的计算公式：
其中Vbd_ave为整流模块60输出的平均电压值，也即输入到PFC模块50的平均电压值，其Vbd_ave、整流模块60输出的电压Vbd、母线电压Vdc、交流输入电压Vac和整流模块60输出的电压幅值Vac_mag、交流电压有效值Vac_rms的波形关系如图9所示，由图9可得到Vbd_ave的计算公式为：
因此可得：
因为Vdc_min≤Vdc_ref≤Vdc_max，可得：
又因为π/2≤Ka≤π，因此升压比系数Ka进一步限制为：
根据由母线电压Vdc和母线电压平均值Vbd_ave确定的升压比系数Ka的计算公式：并将上述Vbd_ave计算公式代入可得：因此可得时间母线电压范围为：
当Vdc_min＝200V，Vdc_max＝400V时，升压比系数Ka的范围与可输出的母线电压Vdc范围随着交流电压有效值Vac_rms的变化的关系如下表所示：
即在不同的电源电压有效值Vac_rms时对升压比系数Ka的范围做进一步限制。
值得说明的是，由于在上述PFC电路中，未对交流侧的电压进行采样，因此只能通过功率守恒的方式近似计算Vac_rms，如下式所示：
其中Idc为输出电流采样模块40采集的母线电流。
通过上述占空比D与升压比系数Ka的计算公式对升压比系数确定范围为π/2～π，并进一步通过其与电源电压有效值Vac_rms的变化关系对其进行限定，以此实现了当电源电压处于低压环境下(110V-220V)时，针对不同的电源电压有效值Vac_rms指定升压比Ka的范围，以此使得PFC电脑在当前低电压环境下得到不同的合理的母线电压Vdc，从而使得整个电机驱动电路驱动的电机负载(电机也泛指压缩机等负载)处于一个合适的工作状态，能使得对应的变频家电设备在低电压环境仍能输出有效的制冷/制热能力，并保证在此工作状态下PFC电路的器件安全不至损坏。
进一步的，控制器10还被配置成：获取开关管的温度，根据温度对升压比系数进行修正。
由于在PFC电路工作过程中，受所处的外部环境和开关管IGBT所处的散热条件的影响，其开关管IGBT的温升情况不同，当环境温度高和散热不好时，开关管IGBT的温升可能会相对的高如开关管的温度达到60℃以上，此时为了防止开关管工作温度过高而损坏，需要进一步调整升压比系数Ka，将其最大值降低，使得控制开关管工作的占空比D减小，以此降低开关管的开通时间，降低其温升，使得开关管处于安全的温升范围。
如在考虑了开关管的温度后对升压比系数Ka的最大值进一步进行修正后的结果如下：
本发明实施例还提出一种PFC电路及应用于该PFC电路的电机驱动电路，如图1所示，该PFC电路包括电感L、开关管IGBT和快速恢复二极管FRD，还包括上述的PFC电路控制装置。在图1中，电感L的一端为PFC电路的输入端正极，电感L的另一端和开关管IGBT的输入端即C极以及快速恢复二极管FRD的阳极共接，快速恢复二极管FRD的阴极为PFC电路的输出端，开关管IGBT的输出端即E极连接PFC电流的输入和输出端，开关管IGBT的控制端即G极为PFC电路的控制端。该电机驱动电路包括整流模块60、滤波模块70、逆变器80和上述的PFC电路，该电机驱动电路可应用在通过永磁同步电机、变频压缩机等负载工作的家电设备如变频空调、变频冰箱或者变频洗衣机上。
该PFC电路实现了在低电压环境下安全工作，输出合理的母线电压为后续的逆变器80进行供电，使得在低电压环境下逆变器80仍可以驱动电机90工作，使电机90处于一个合适的工作状态，仍能有效的输出能力，使得应用该电机驱动电路的家电产品如空调器在低电压环境下仍能输出有效的制冷/制热能力。
本发明的实施例还提供了计算机程序产品，包括程序指令，该程序指令被控制器执行时使得控制器能够实现上述实施例中的任意的PFC电路控制方法。
本发明的实施例还提供了存储介质，其上存储有计算机可读指令，该计算机可读指令被控制器执行时使得控制器能够执行上述实施例中的任意的PFC电路控制方法。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本说明书的描述中，参考术语“第一实施例”、“第二实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率因素校正PFC电路控制方法，所述PFC电路应用于电机驱动电路，所述电机驱动电路包括整流电路、控制器和逆变器，其特征在于，所述PFC电路控制方法包括：
获取电机的目标转速值，以及控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压；
根据所述目标转速值、所述的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压；
获取所述PFC电路输出的母线电压，并根据所述母线参考电压和所述母线电压确定升压比系数；
获取所述PFC电路的输入电流，并根据所述输入电流确定PFC电路的输入平均电流；
根据所述升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动所述PFC电路的开关管的占空比；
根据所述占空比控制所述开关管进行开关动作以控制所述PFC电路工作。
2.如权利要求1所述的PFC电路控制方法，其特征在于，所述升压比系数范围为π/2至π。
3.如权利要求2所述的PFC电路控制方法，其特征在于，在确定所述升压比系数之后，所述PFC电路控制方法还包括：
获取所述PFC电路的输出电流；
根据所述输出电流、所述母线电压和所述输入平均电流确定所述PFC电路输入的电源电压的有效值；
根据所述升压比系数范围、所述电源电压的有效值、以及所述母线电压的最大和最小值对所述升压比系数进行修正。
4.如权利要求3所述的PFC电路控制方法，其特征在于，所述PFC电路控制方法还包括：
获取所述开关管的温度；
根据所述温度对所述升压比系数进行修正。
5.一种PFC电路控制装置，所述PFC电路应用于电机驱动电路，所述电机驱动电路包括整流电路、控制器和逆变器，其特征在于，所述PFC电路控制装置包括：
电压采样模块，用于采集所述PFC电路输出的母线电压；
输入电流采样模块，用于采集所述PFC电路的输入电流；
所述控制器被配置成：
获取电机的目标转速值，以及所述控制器产生的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压；
根据所述目标转速值、所述的基于两相旋转坐标系的参考电流和电压生成母线参考电压；
从所述电压采样模块获取所述PFC电路输出的母线电压，并根据所述母线参考电压和所述母线电压确定升压比系数；
从所述输入电流采样模块获取所述PFC电路的输入电流，并根据所述输入电流确定PFC电路的输入平均电流；
根据所述升压比系数、输入平均电流和输入电流确定驱动所述PFC电路的开关管的占空比；
根据所述占空比控制所述开关管进行开关动作以控制所述PFC电路工作。
6.如权利要求5所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述升压比系数范围为π/2至π。
7.如权利要求6所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述PFC电流控制装置还包括输出电流采样模块，以采集所述PFC电路的输出电流；在确定所述升压比系数之后，所述控制器还被配置成：
从所述输出电流采样模块获取所述输出电流；
根据所述输出电流、所述母线电压和所述输入平均电流确定所述PFC电路输入的电源电压的有效值；
根据所述升压比系数范围、所述电源电压的有效值、以及所述母线电压的最大和最小值对所述升压比系数进行修正。
8.如权利要求7所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述控制器还被配置成：
获取所述开关管的温度；
根据所述温度对所述升压比系数进行修正。
9.一种PFC电路，所述PFC电路包括电感、开关管和快速恢复二极管，其特征在于，所述PFC电路还包括如权利要求5-8任一项所述的PFC电路控制装置；
所述电感的一端为所述PFC电路的输入端正极，所述电感的另一端和所述开关管的输入端以及所述快速恢复二极管的阳极共接，所述快速恢复二极管的阴极为所述PFC电路的输出端正极，所述开关管的输出端连接所述PFC电路的输出端负极，所述开关管的控制端为所述PFC电路的控制端。
10.一种电机驱动电路，所述电机驱动电路包括整流模块、滤波模块，其特征在于，所述电机驱动电路还包括权利要求9所述的PFC电路；
所述整流模块输出端连接所述PFC电路的输入端，所述整流模块用于对输入到所述电机驱动电路的交流电进行整流输出脉动直流电；
所述滤波模块连接所述PFC电路的输出端，用于对所述PFC电路输出的直流电进行滤波，输出平滑直流电，所述滤波模块连接直流母线，并通过所述直流母线为所述电机驱动电路进行供电。
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