CN111628643B - 一种在pfc控制中预测电流采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在PFC控制中预测电流采样方法，包括以下步骤：1)构建PFC电流预测补偿控制模型；2)采用预测的采样电感电流进行补偿完成PFC电流环控制。与现有技术相比，本发明具有改善波形输出、采样准确、提高PFC电流增益等优点。

Description

一种在PFC控制中预测电流采样方法
技术领域
本发明涉及有源功率因数矫正(PFC)领域，尤其是涉及一种在PFC控制中预测电流采样方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，大量非线性负载连接到电网从而产生大量谐波电流成分，对电网造成污染。为了提高供电线路的功率因数，就有了功率因数校正(PFC)技术，PFC技术广泛应用于不间断电源(USP)、变频器等设备中并和后级逆变器相互配合，可以使得非线性负载等效为纯电阻，也就是使电源的输入呈阻性。有源功率因数的调节是以交流输入电压为标准来控制输入电流，使输入电流追踪市电电压的波形及相位，降低输入电流的THD，使功率因数趋近为一，从而减少对电网的谐波污染，同时降低用电电器设备故障。
目前PFC控制广泛采用数字控制实现，数字控制中一般都需要电流平均值，进行PFC平均电流控制，而平均值电流采样不可避免的会存在滞后问题，而电流采样的滞后对PFC控制电流精度，降低电流谐波畸变率(THD)也有较大影响，控制回路中延迟对PFC电流环的控制精度和电流环的稳定都会产生不利的影响，为了解决这一问题，就需要考虑使用预测方法对延迟进行补偿。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在PFC控制中预测电流采样方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种在PFC控制中预测电流采样方法，包括以下步骤：
1)构建PFC电流预测补偿控制模型；
2)采用预测的采样电感电流进行补偿完成PFC电流环控制。
所述的步骤1)中，PFC电流环控制模型中，在电流环控制器前端通过增加采样电感电流预测模块，得到PFC电流预测补偿控制模型。
所述的PFC电流环控制模型包括依次连接的电流环控制器、PWM生成器和PFC硬件电路，所述的PFC硬件电路输出电流即为采样电感电流iL，电流环控制器以电流环参考信号iref与采样电感电流iL的差值为输入，输出载波信号ud到PWM生成器。
所述的PFC电流预测补偿控制模型为由依次连接的采样电感电流预测模块、电流环控制器、PWM生成器和PFC硬件电路构成的反馈闭环回路。
所述的PFC电流预测补偿控制模型中，电流环控制器以预测的采样电感电流作为输入。
所述的PFC硬件电路等效为一个积分环节，则有：
Figure BDA0002501124740000021
其中，s为拉普拉斯算子，K1为常数。
对电流环加零阶保持器进行离散化，得到离散模型，则有：
Figure BDA0002501124740000022
其中，Ts为电流环采样和计算周期，z为离散域Z变换的z因子。
在PFC电流预测补偿控制模型中，第k时刻PFC输入的采样电感电流为iL(k)，第k时刻PFC电流控制器的输出为ud(k)，由离散模型可得：
iL(k)＝iL(k-1)+TsK1ud(k-1)
其中，iL(k-1)为第k-1时刻PFC输入的采样电感电流，ud(k-1)为第k-1时刻PFC电流控制器的输出。
在PFC电流预测补偿控制模型中，在第k+1时刻，PFC输入的采样电感电流估计值
Figure BDA0002501124740000023
为：
Figure BDA0002501124740000024
其中，Δud(k)为第k时刻PFC电流控制器的输出差值。
该方法通过数字控制芯片执行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用预测电感电流采样代替了现有PFC的输入电感电流，有效的防止了三角波周期延迟的出现，对电流采样带来的延迟实现了补偿，本发明采样预测准确，计算简单，对处理器性能要求低，一般支持数字控制的芯片都可以实现。
附图说明
图1为电流环数字控制结构图。
图2为对PFC输入电感电流进行采样后计算再进行PWM输出的时序图。
图3为电流环控制器预测补偿结构图。
图4为未添加预测时电流波形。
图5为添加预测后电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，附图中，iref表示电流环的参考信号，iL表示PFC输入电流，Gi(z)为离散化的电流环控制器，PWM接收电流环控制器输出的载波信号ud(z)和调制三角波信号进行脉冲宽度调制(PWM)得到占空比，从而控制PFC硬件电路中的开关管。
如图2所示，图2为对PFC输入电感电流进行采样后计算再进行PWM输出的时序图，图中曲线①为采用数字控制中的数字信号处理器(DSP)或单片机(MCU)内部产生PWM的三角波调制信号；②为PFC控制中电流环控制器的输出，属于载波信号；③为根据载波大于三角波信号就输出高电平，反之则输出低电平的PWM信号；④为对应的电流信号，⑤为DSP或MCU芯片中根据PFC平均电流控制中PFC输入电感电流的采样点；⑥为PWM信号由高到低的下降沿翻转点；⑦是新的电流环输出载波信号的更新点；⑧是第二个周期中PWM信号由低到高的上降沿翻转点，在第一个周期中，当DSP或MCU芯片内部时钟到达最低点时启动A/D转换，将输入电流信号转为数字量并进行PFC控制计算，当到达⑥时计算尚未完成，此时使用的还是上一拍电流环控制器输出的比较信号。在⑦点完成了PFC电流控制器输出的计算并装入寄存器中，并在⑧点新的控制器输出产生作用。因此从PFC平均电流采样到控制信号有效起作用中间存在一个三角波周期的延迟，也就是滞后一个采样计算周期，与模拟式控制方法不同，数字式控制器会由于采样和计算的原因带来一拍延迟。在一般PFC数字控制应用中，必须对采样带来的延迟加以补偿。
为了对PFC数字控制中进行延迟补偿，本发明通过简化PFC控制中电流环硬件模型，对其进行离散化分析，并依据输入电流的正弦波特性，提供一种在PFC控制中预测电流采样方法，具体实施方式如下：
对于PFC电流环来说，考虑将PFC输入电感电流iL对电流环输出的载波信号ud的受控对象模型，PFC电流环硬件系统H(s)相当于一个二阶函数，可以表示为：
Figure BDA0002501124740000041
其中，ω0为PFC硬件系统的自然角频率，ξ为该二阶函数的衰减系数，K1和K2均为常数。
由于ω0远小于PFC输入电流的采样频率和PFC电流环的计算角频率，在PFC采样和计算频率时，式(1)中的
Figure BDA0002501124740000042
2ξω0s和
Figure BDA0002501124740000043
三项都远小于s2，所以公式(1)可以表示为一个积分环节：
Figure BDA0002501124740000044
对上述电流环近似模型加零阶保持器进行离散化则有：
Figure BDA0002501124740000045
其中，Ts为电流环采样和计算周期，即图1中三角波的周期值。
这样，第k时刻如果PFC输入电流采样为iL(k)，则PFC电流控制器的输出为ud(k)，那么由上面的离散模型可得：
iL(k)＝iL(k-1)+TsK1ud(k-1) (4)
那么在第k+1时刻，PFC输入电感电流估计值
Figure BDA0002501124740000046
可以表示为：
Figure BDA0002501124740000047
则依据公式(5)对电感电流采样进行预测控制。
如图3所示，在加入预测之后，由于加入公式(5)的补偿环节后电流会更加准确，这样还可以提高PFC电流的增益。
如图4和5所示，从图中可以看出图5在加入预测补偿后波形效果会比补偿前的图4波形有了明显改善。

Claims (3)

1.一种在PFC控制中预测电流采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建PFC电流预测补偿控制模型，PFC电流环控制模型中，在电流环控制器前端通过增加采样电感电流预测模块，得到PFC电流预测补偿控制模型，所述的PFC电流环控制模型包括依次连接的电流环控制器、PWM生成器和PFC硬件电路，所述的PFC硬件电路输出电流即为采样电感电流iL，电流环控制器以电流环参考信号iref与采样电感电流iL的差值为输入，输出载波信号ud到PWM生成器，所述的PFC电流预测补偿控制模型为由依次连接的采样电感电流预测模块、电流环控制器、PWM生成器和PFC硬件电路构成的反馈闭环回路；
所述的PFC硬件电路等效为一个积分环节，则有：
Figure FDA0003018270550000014
其中，s为拉普拉斯算子，K1为常数；
对电流环加零阶保持器进行离散化，得到离散模型，则有：
Figure FDA0003018270550000011
其中，Ts为电流环采样和计算周期，z为离散域Z变换的z因子；
在PFC电流预测补偿控制模型中，第k时刻PFC输入的采样电感电流为iL(k)，第k时刻PFC电流控制器的输出为ud(k)，由离散模型可得：
iL(k)＝iL(k-1)+TsK1ud(k-1)
其中，iL(k-1)为第k-1时刻PFC输入的采样电感电流，ud(k-1)为第k-1时刻PFC电流控制器的输出；
在PFC电流预测补偿控制模型中，在第k+1时刻，PFC输入的采样电感电流估计值
Figure FDA0003018270550000012
为：
Figure FDA0003018270550000013
其中，Δud(k)为第k时刻PFC电流控制器的输出差值；
2)采用预测的采样电感电流进行补偿完成PFC电流环控制。
2.根据权利要求1所述的一种在PFC控制中预测电流采样方法，其特征在于，所述的PFC电流预测补偿控制模型中，电流环控制器以预测的采样电感电流作为输入。
3.根据权利要求1所述的一种在PFC控制中预测电流采样方法，其特征在于，该方法通过数字控制芯片执行。
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