CN115459581A - 功率因数校正控制装置、方法及焊机电源 - Google Patents

功率因数校正控制装置、方法及焊机电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种功率因数校正控制装置、方法及焊机电源，上述控制装置包括采样单元，采样所述功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；电压补偿单元，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号；电压环输出单元，根据所述输出电流采样信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号；均压单元，根据所述输入电压采样信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据所述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开；本发明利于保持PFC电路的母线电压稳定，提升焊机焊接性能的稳定性。

Description

功率因数校正控制装置、方法及焊机电源
技术领域
本发明涉及焊机技术领域，具体地说，涉及一种功率因数校正控制装置、方法及焊机电源。
背景技术
在焊机电源的应用中，为了减少其对电网的污染，同时提高有功功率，减小开关管应力，通常需要加入PFC(Power Factor Corrector,功率因数校正)电路。随着PFC技术的日益成熟，PFC技术在解决电磁干扰问题、电磁兼容问题以及其宽电压工作范围的优势已日益明显。
为提高变换器控制性能，减少模拟器件精度温漂影响，方便实现上位机通信与人机交互等功能，PFC电路通常采用数字控制方式。焊机电源由于经常工作于负载短路与空载工况下，因此对PFC电路的动态性能要求较高。
对于PFC电路，参考图1，三电平的PFC电路能够实现根据开关管Q1、Q2的通断，使得A、B两点之间电压在0V、0.5Uout和Uout之间切换。Uout表示PFC电路的输出电压。其中三电平的PFC电路相对于两电平来说，开关器件的的电压应力比较小，开关器件的成本更低，具有一定的优势。
目前焊机电源中三电平的PFC电路的输出电压即母线电压无法保持稳定，这样会对后级变换器的调节效果造成不利影响，进而使得焊接效果可能较差，无法得到保证。比如输入电压突然降低，那么后级变换器的功率就无法达到要求，焊接时就会出现断弧现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种功率因数校正控制装置、方法及焊机电源，使得PFC电路的输出电压保持稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定，利于保证焊机实现良好的焊接效果。
根据本发明的一个方面，提供一种功率因数校正控制装置，用于控制焊机电源中的功率因数校正电路，所述控制装置与所述功率因数校正电路电连接，所述功率因数校正电路包括至少一开关组件，所述控制装置包括：
采样单元，采样所述功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；
电压补偿单元，与所述采样单元连接，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号；
电压环输出单元，分别与所述采样单元以及所述电压补偿单元连接，根据所述输出电流采样信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号；
均压单元，分别与所述采样单元以及所述电压环输出单元连接，根据所述输入电压采样信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据所述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开；所述占空比信号与开关组件一一对应。
可选地，所述电压环输出单元包括：
输出电流前馈子单元，与所述采样单元连接，用于根据所述输出电流采样信号，计算得到输出电流前馈信号；
所述电压环输出单元根据所述输出电流前馈信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
可选地，所述均压单元包括：
锁相环子单元，与所述采样单元连接，所述锁相环子单元基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号；
所述均压单元根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号。
可选地，所述功率因数校正电路还包括第一电感，所述第一电感和一所述开关组件连接；
所述采样模块还用于对所述第一电感的电流进行采样，得到电感电流采样信号；所述均压单元还包括：
电流偏置计算子单元，根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，得到一电流参考信号；并根据所述电感电流采样信号、预设电流偏置信号和所述电流参考信号，计算得到占空比基准信号；以及根据所述占空比基准信号，计算得到多路占空比信号。
可选地，所述功率因数校正电路还包括相串联的第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端分别与所述第一电感以及开关组件连接，所述第二电容的第二端与所述开关组件连接；所述均压单元还包括：
占空比差量计算子单元，对所述第一电容和所述第二电容的电压分别进行采样，得到第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号；根据所述第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号，计算得到占空比差量值；所述电流偏置计算子单元根据所述占空比基准信号和占空比差量值，分别计算得到各个开关管对应的占空比信号。
根据本发明的另一个方面，提供一种功率因数校正控制方法，采用上述任一功率因数校正控制装置进行控制，包括以下步骤：
S110，采样功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，以分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；
S120，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号；
S130，根据所述输出电流采样信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号；
S140，根据所述输入电压采样信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据所述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开；所述占空比信号与开关组件一一对应。
可选地，步骤S130包括：
根据所述输出电流采样信号，计算得到输出电流前馈信号；以及
根据所述输出电流前馈信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
可选地，步骤S140包括：
基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号；
根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号。
可选地，所述功率因数校正电路还包括第一电感，所述第一电感和一所述开关组件连接；
步骤S110还包括：
对所述第一电感的电流进行采样，得到电感电流采样信号；
步骤S140还包括：
根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，得到一电流参考信号；
根据所述电感电流采样信号、预设电流偏置信号和所述电流参考信号，计算得到占空比基准信号；以及
根据所述占空比基准信号，计算得到多路占空比信号。
可选地，所述功率因数校正电路还包括相串联的第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端分别与所述第一电感以及开关组件连接，所述第二电容的第二端与所述开关组件连接；步骤S140还包括：
对所述第一电容和所述第二电容的电压分别进行采样，得到第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号；
根据所述第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号，计算得到占空比差量值；以及
根据所述占空比基准信号和占空比差量值，分别计算得到各个开关管对应的占空比。
可选地，所述基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号，包括：
当检测到输入电压过零点时，分别获取第一计数器的第一计数值和第二计数器的第二计数值；
基于所述第一计数值，计算得到接入电网的电压周期；
将所述电压周期作为第二计数器的周期，基于所述第二计数值进行比例积分计算，得到电网的电压相位；
根据接入电网的电压周期、电压相位和所述输入电压采样信号进行锁相环计算，得到锁相环输出信号。
可选地，所述基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号，包括：
获取所述第二计数值和前一所述电压相位之间的差值；
判断所述差值是否小于预设周期，若是则进行比例积分计算，得到电网的当前电压相位。
可选地，步骤S130包括：
提取所述功率因数校正电路的输出电流中的交流电流，对所述交流电流进行采样，获得输出电流采样信号；
对所述输出电流采样信号采用陷波滤波器进行滤波处理，得到输出电流前馈信号。
根据本发明的另一个方面，提供一种焊机电源，包括上述任一功率因数校正控制装置。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
本发明提供的功率因数校正控制装置、方法及焊机电源，利用预设电压基准值对输出电压采样信号进行电压补偿，对输出电流进行采样过滤计算得到输出电流前馈信号，实现在该PFC电路中加入负载前馈进行调节，以实现后续生成用于调节开关管通断的PWM波，这样利于保持PFC电路的母线电压稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定，利于保证焊机实现良好的焊接效果，提升其焊接性能的稳定性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例公开的功率因数校正电路的结构示意图；
图2为本发明一实施例公开的功率因数校正控制装置的框架结构示意图；
图3为本发明一实施例公开的功率因数校正控制装置的原理示意图；
图4为本发明一实施例公开的功率因数校正控制装置中锁频环计算的流程示意图；
图5为本发明一实施例公开的上述锁频环计算中PI计算的示意图；
图6为本发明一实施例公开的功率因数校正控制装置中锁相环计算的流程示意图；
图7为本发明一实施例公开的上述锁相环计算中PI计算的示意图；
图8为现有技术中电流环计算未加入预设电流偏置信号时的输入电流波形；
图9为本发明一实施例中电流环计算加入预设电流偏置信号后的输入电流波形；
图10为本发明一实施例公开的焊机电源的结构示意图；
图11为本发明一实施例公开的功率因数校正控制方法的流程示意图；
图12为本发明另一实施例公开的功率因数校正控制方法的流程示意图；
图13为本发明另一实施例公开的功率因数校正控制方法的流程示意图；
图14为本发明另一实施例公开的功率因数校正控制方法中步骤S140的流程示意图；
图15为本发明另一实施例公开的功率因数校正控制方法中步骤S141的流程示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料、装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”、“具有”以及“设有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
本发明公开了一种功率因数校正控制装置，用于控制焊机电源中的功率因数校正电路，即焊机电源中的PFC电路。上述功率因数校正控制装置与上述PFC电路电连接。该PFC电路包括至少一开关组件。具体实施时，上述开关组件可以为开关管，即开关三极管。
如图1所示，本发明一实施例公开了一种PFC电路。该PFC电路包括一整流桥、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电容C1、第二电容C2、第五二极管D5以及第六二极管D6。参考图1，本实施例中，上述整流桥包括相串联的第一二极管D1、第二二极管D2，以及相串联的第三二极管D3、第四二极管D4，并且在每两个二极管串联之后再并联。该PFC电路接入电网，电网的一极连接于第一二极管D1和第二二极管D2之间，另一极连接于第三二极管D3和第四二极管D4之间。
参考图1，整流桥分别连接于上述第一电感L1的第一端和第二电感L2的第一端。第一电感L1的第二端分别连接第五二极管D5的正极以及第一开关管Q1的第一极。第五二极管D5的负极连接第一电容C1的第一端。
第一开关管Q1的第二极、第二开关管Q2的第一极、第一电容C1的第二端以及第二电容C2的第一端连接。第二电感L2的第二端分别连接第二开关管Q2的第二极以及第六二极管D6的负极。第六二极管D6的正极连接第二电容C2的第二端。
如图2和图3所示，本发明一实施例公开了一种功率因数校正控制装置。上述控制装置包括采样单元21、电压补偿单元22、电压环输出单元23以及均压单元24。采样单元21分别与PFC电路25以及电压补偿单元22连接。电压环输出单元23分别与上述采样单元21以及上述电压补偿单元22连接。均压单元24分别与上述采样单元21、上述电压环输出单元23以及PFC电路25连接。
该采样单元21用于采样PFC电路25的输入电压、输出电压和输出电流，分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；以及对上述第一电感的电流进行采样，得到电感电流采样信号。也即，采样单元21对PFC电路25的输入电压进行采样，对应获得输入电压采样信号。采样单元21对PFC电路25的输出电压进行采样，对应获得输出电压采样信号。采样单元21对PFC电路25的输出电流进行采样，对应获得输出电流采样信号。
示例性地，输入电压可以经过差分采样转化成小电压信号，再经过二阶贝塞尔电路进行采样调理，即得到输入电压采样信号。类似地，输出电压的采样也可以通过差分采样实现。输出电流的采样可以利用图3中的互感器T1实现。对于第一电感的电流采样，可以经过电流霍尔传感器(即图3中的CS)采样转化成小电压信号，再经过二阶贝塞尔电路进行采样调理，得到电感电流采样信号。对于采样单元的具体实施过程可参考现有技术实现，本实施例不再赘述。
电压补偿单元根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号。电压环输出单元根据上述输出电流采样信号和上述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。比如，补偿电压信号可以为通过对预设电压基准值与输出电压采样信号之间的差值进行PI计算后得到。可以通过对输出电流采样信号处理后得到的结果与上述补偿电压信号相加，得到电压环输出信号。
示例性地，参考图3，输出电压采样信号表示为uo，预设电压基准值表示为uref，那么补偿电压信号可以基于对uref与uo的差值进行PI(proportional integral,比例积分调节电路)计算得到，也即将(uref-uo)输入至一PI计算单元，输出补偿电压信号umo。其中，PI计算的具体实施过程可参考现有技术实现，本实施例不再赘述。
均压单元根据上述输入电压采样信号和上述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据上述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开。上述占空比信号与开关组件一一对应。
具体而言，上述电压环输出单元包括输出电流前馈子单元。输出电流前馈子单元与上述采样单元连接。输出电流前馈子单元用于根据上述输出电流采样信号，计算得到输出电流前馈信号。然后电压环输出单元根据上述输出电流前馈信号和补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
示例性地，继续参考图3，提取上述功率因数校正电路的输出电流中的交流电流，对上述交流电流进行采样，获得输出电流采样信号io。具体实施时，为了减少负载电流前馈对电路稳态工作时的影响，同时降低成本，可以采用耦合磁环的方式对负载电流即输出电流中的交流成分进行采集。输出电流前馈子单元将输出电流采样信号io与预设前馈系数kf相乘后，再利用陷波器进行滤波处理，得到输出电流前馈信号If。电压环输出单元将输出电流前馈信号If和补偿电压信号umo相加，得到电压环输出信号um。
也即，由于PFC电路输出存在功率脉动，在采集后需对输出电流进行陷波以滤除100Hz的两倍工频分量。再乘上预设前馈系数kf后参与到环路控制中。当负载突然增大时，输出电流增大，由于输出电流前馈调节的加入，该控制装置输出的PWM波占空比也会随之增大，从而有效避免了加载造成的输出电压跌落问题。相应地，卸载时输出电流减少，占空比减小，以避免出现母线电压出现超调而损坏开关管的问题。
本实施例通过利用预设电压基准值对输出电压采样信号进行电压补偿，对输出电流进行采样过滤计算得到输出电流前馈信号，实现在该PFC电路中加入负载前馈进行调节，以实现后续生成用于调节开关管通断的PWM波，这样利于保持母线电压稳定，使得PFC电路的输出电压保持稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定，同时避免由于母线电压的波动而损坏电路中开关管的问题，利于保证焊机实现良好的焊接效果，提升其焊接性能的稳定性。
本实施例中，上述均压单元包括锁相环子单元、占空比差量计算子单元以及电流偏置计算子单元。锁相环子单元和占空比差量计算子单元分别与电流偏置计算子单元连接。锁相环子单元还与上述采样单元连接。
上述锁相环子单元基于上述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号。电流偏置计算子单元根据上述锁相环输出信号和上述电压环输出信号，得到一电流参考信号；并根据上述电感电流采样信号、预设电流偏置信号和上述电流参考信号，计算得到占空比基准信号；以及根据上述占空比基准信号，计算得到多路占空比信号。该占空比基准信号的计算原理即为一电流环。
占空比差量计算子单元对上述第一电容和上述第二电容的电压分别进行采样，得到第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号；根据上述第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号，计算得到占空比差量值。该占空比差量计算子单元的计算原理即为一均压环。
上述电流偏置计算子单元根据上述占空比基准信号和占空比差量值，分别计算得到各个开关管对应的占空比信号。
本实施例在上述加入补偿电压信号和输出电流前馈信号的基础上，利用输入电压采样信号采取PLL生成锁相环输出信号，以作为第一电感的电流的参考波形进行跟随，这样进一步利于保持母线电压稳定，使得PFC电路的输出电压保持稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定。
示例性地，继续参考图3，电网电压Uin经过采样后，得到输入电压采样信号。输入电压采样信号通过PLL(Phase Lock Loop,锁相环)计算，生成与电网电压同频同相的锁相环输出信号iPLL，以作为第一电感的电流的参考波形。
具体而言，当检测到输入电压过零点时，锁相环子单元分别获取第一计数器的第一计数值和第二计数器的第二计数值。基于上述第一计数值，计算得到接入电网的电压周期。将上述电压周期作为第二计数器的周期，基于上述第二计数值进行比例积分计算，得到电网的电压相位。根据接入电网的电压周期、电压相位和上述输入电压采样信号进行锁相环计算，得到锁相环输出信号。
上述过零点检测环节主要针对的是电网电压，当检测到电网电压由负变正或由正变负时，将标志位改变，同时记录下相关定时器的值，以便接下来锁频环计算与锁相环计算。锁频环是锁相环的前置环节，主要提供频率信息，即计算电网电压频率，以保证电流参考信号iref的频率与电网电压一致。锁相环主要提供相位信息，以保证锁相环输出信号的相位与电网电压一致。下面对锁频环计算与锁相环计算分别进行说明：
在锁频环(Frequency Lock Loop,FLL)的计算中，利用定时器Tim5进行计数，当检测到电网电压过零时提取出计数值，并复位定时器，从而得到一个工频周期内的计数值，根据该控制装置的载体芯片的主频以及定时器Tim5的分频就能得到电网的工频周期。以Stm32f103芯片为例，其主频为72MHz，而工频周期为50Hz，设置定时器分频为1，那么一个工频周期内定时器的计数周期为14400。
参考图4，本实施例中，锁频环计算包括步骤：
S410，定时器Tim5开始计数。
S420，检测到输入电压过零。
S430，获取Tim5计数值作为锁频环输入。
S440，复位定时器Tim5。
S450，判断Tim5计数值是否位于预设区间内。该预设区间可以根据电网电压的频率确定。若Tim5计数值位于预设区间内，表示将其作为电网电压是合理的。
若是，则执行步骤S460：进行PI计算。否则跳转至步骤S420。
参考图5，在得到Tim5计数值以后进行误差的PI计算，使PI计算结果跟随计数值，即利用新的计数值减去PI计算结果之后，再次进行PI计算，从而降低采样抖动带来的影响。PI计算结果作为电网的电压周期。
相似地，参考图6和图7，在锁相环(PLL)的计算中，利用定时器Tim4进行计数，其周期为FLL的输出结果。在检测到过零点时，Tim4的计数值可以看作Tim4与电网电压的相位差，从而提取出相位信息，并代入到PI计算中进行跟随。需要指出的是，在PLL计算的流程中有一个有效性判断的环节，即判断相位输入值与PLL输出相差是否小于预设周期，若不满足则视为错误的采样数据，重新读取计数值，以此来减少采样误差，提高采样准确度。
参考图6，锁相环计算包括步骤：
S610，定时器Tim4开始计数。
S620，检测到输入电压过零。
S630，获取Tim4计数值作为相位输入。
S640，FLL输出值作为Tim4周期。
S650，判断相位输入值与PLL输出相差是否小于预设周期。也即，获取上述第二计数值和前一电压相位之间的差值，判断该差值是否小于预设周期。
若是，则执行步骤S660：进行PI计算。否则跳转至步骤S620。
参考图7，在得到Tim4计数值以后进行PI计算，使PI计算结果跟随计数值，即利用新的计数值减去PI计算结果之后，再次进行PI计算。PI计算结果作为电网的电压相位。
本实施例公开的锁频环计算以及锁相环计算利用该控制装置的载体芯片的高频时钟，对电网周期以及相位进行计数，而非在计算中断中进行累加计数，从而保证计算的精确性。比如锁频环如果采用一个计算周期累加一次的方式进行计数，设定计算周期为20kHz，那么一个工频周期内的计数值只有400，其计算精度将大大下降。
本实施例中，电压环输出信号um和锁相环输出信号iPLL相乘并取绝对值得到电流参考信号iref。电感电流采样信号表示为iL，预设电流偏置信号表示为ibias，电流偏置计算子单元将iL、ibias以及电流参考信号iref作为一电流环的输入，进行电流环计算，得到占空比基准信号d。比如，将(iref+ibias-iL)的结果输入至电流环的PI控制器，进行PI计算，得到占空比基准信号d。
由以上分析可知：
Figure BDA0003872587180000121
其中，w表示锁相环输出信号的频率，
Figure BDA0003872587180000122
表示锁相环输出信号的相位。假设第一电感的电流跟踪电流参考信号iref，则有：
Figure BDA0003872587180000123
其中，io表示输出电流，Uin、Uo分别为输入电压的有效值、输出电压的有效值。
由此可知，输出电流前馈信号If和输出电流io成正比，即
Figure BDA0003872587180000124
因此示例性地，预设前馈系数kf可以取值为
Figure BDA0003872587180000125
根据图3可知：
Kp(iref+ibias-iL)＝d*Tc (1)，
其中，d为上述占空比基准信号，Kp为预设电流环增益系数，Tc为该控制装置的载体芯片中产生PWM波对应定时器的周期，可以通过预设生成。可通过调节预设电流环增益系数Kp来控制电流环的动态性能。
在电感电流连续模式(CCM)下，PFC电路的输入电压和输出电压需要满足：
Figure BDA0003872587180000131
联立上述公式(1)和公式(2)，令直流量与交流量分别相等，可知：
Figure BDA0003872587180000132
得到：
Figure BDA0003872587180000133
由此可知所需加入的预设电流偏置信号ibias的值。
由上述公式(1)和公式(2)可知，在输入电压过零点处，占空比需要提高到接近为，1才能提供较大的升压比，以输出较高的电压。而现有技术中未加入预设电流偏置信号的算法则很难实现这一目标，容易出现如图8所示的电流过零畸变的现象。参考图9，本申请加入预设电流偏置信号后，相当于提高了过零点处的占空比，因此可以实现电压过零点满占空比输出的目标，从而较好地解决了过零畸变的问题，减少了电流环计算中输入电流的谐波含量，利于提高PFC电路母线电压的稳定性。其中，图8和图9中的横坐标表示时间，纵坐标表示电流值。需要说明的是，图8和图9中的输入电流波形仅用于示例性举例说明，并不表示实际波形。
本实施例中，占空比差量计算子单元利用第一电容电压采样信号uc1与第二电容电压采样信号uc2，进行均压环计算，也即输入PI控制器，得到占空比差量Δd，然后将占空比基准信号d分别加上和减去占空比差量Δd，分别得到第一开关管Q1对应的的第一占空比信号d1和第二开关管Q2对应的的第二占空比信号d2。然后基于该控制装置的载体芯片的PWM生成模块将计算得到的占空比信号转换为PWM(pulse width modulation,脉冲宽度调制)波，以控制对应的开关管导通或关断。PWM生成模块产生PWM波对应定时器的周期。其中，上述占空比信号是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。
本实施例通过上述电容均压的技术方案，能够保证两个输出电容上的电压一致，从而保证开关管承受相同的电压应力。这样可以防止由于任何一个开关管的电压太高，而导致开关管损坏的问题，利于提高该PFC电路的可靠性和稳定性。
举例来说，当第二电容C2上的电压高于第一电容C1上的电压时，即Uc2-Uc1为正，其通过PI控制器放大后的误差Δd也为正，此时d2>d1，焊机电源的后级变换器(即移相全桥逆变电路)对C1充电时间高于C2，C2电压降低，C1电压升高，直至两个电容的电压相等。
需要说明的是，本申请上述公开的预设电压基准值、预设电流偏置信号、预设周期均可以为预设生成，本领域技术人员可以根据需要进行设置。本申请对此不作限制。
如图10所示，本发明一实施例公开了一种焊机电源。该焊机电源包括上述任一实施例公开的功率因数校正控制装置26(即PFC控制装置)。功率因数校正控制装置26的详细结构特征和优势可参照上述实施例的描述，此处不再赘述。
参考图10，该焊机电源还包括EMI(Electro Magnetic Interference,电磁干扰)抑制模块31、PFC电路25、移相全桥逆变电路32、移相全桥逆变控制模块33、高频变压器34、整流模块35、辅助电源36和风扇37。其中，EMI抑制模块接入电网，整流模块连接焊机负载。EMI抑制模块、PFC电路、PFC控制装置、移相全桥逆变电路、移相全桥逆变控制模块、高频变压器、整流模块、辅助电源以及风扇之间的连接关系可参考图10，本实施例不再赘述。
本发明一实施例还提供一种功率因数校正控制方法，采用上述任一实施例公开的功率因数校正控制装置进行控制。功率因数校正控制装置的详细结构特征和优势可参照上述实施例的描述，此处不再赘述。如图11所示，该控制方法包括以下步骤：
S110，采样功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，以分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号。
S120，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号。
S130，根据上述输出电流采样信号和上述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
S140，根据上述输入电压采样信号和上述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据上述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开。上述占空比信号与开关组件一一对应。
示例性地，步骤S110中，输入电压可以经过差分采样转化成小电压信号，再经过二阶贝塞尔电路进行采样调理，即得到输入电压采样信号。类似地，输出电压的采样也可以通过差分采样实现。输出电流的采样可以利用图3中的互感器T1实现。对于第一电感的电流采样，可以经过电流霍尔传感器(即图3中的CS)采样转化成小电压信号，再经过二阶贝塞尔电路进行采样调理，得到电感电流采样信号。对于采样过程的具体实施过程可参考现有技术实现，本实施例不再赘述。
示例性地，本实施例中，补偿电压信号可以为通过对预设电压基准值与输出电压采样信号之间的差值进行PI计算后得到。可以通过对输出电流采样信号处理后得到的结果与上述补偿电压信号相加，得到电压环输出信号。
如图12所示，在本申请的另一实施例中，公开了另一种功率因数校正控制方法。该方法在上述图11对应实施例的基础上，步骤S120包括：
S121，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，得到第一输出电压信号。
S122，对所述第一输出电压信号进行比例积分计算，得到补偿电压信号。
步骤S130包括：
S131，提取上述功率因数校正电路的输出电流中的交流电流，对上述交流电流进行采样，获得输出电流采样信号。
S132，对上述输出电流采样信号采用陷波滤波器进行滤波处理，得到输出电流前馈信号。
S133，根据上述输出电流前馈信号和上述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
示例性地，参考图3，输出电压采样信号表示为uo，预设电压基准值表示为uref，那么补偿电压信号可以基于对uref与uo的差值进行PI(proportional integral,比例积分调节电路)计算得到，也即将(uref-uo)输入至一PI计算单元，输出补偿电压信号umo。
继续参考图3，提取上述功率因数校正电路的输出电流中的交流电流，对上述交流电流进行采样，获得输出电流采样信号io。具体实施时，为了减少负载电流前馈对电路稳态工作时的影响，同时降低成本，可以采用耦合磁环的方式对负载电流即输出电流中的交流成分进行采集。步骤S132中将io与预设前馈系数kf相乘后，再利用陷波器进行滤波处理，得到输出电流前馈信号If。步骤S133中将输出电流前馈信号If和补偿电压信号umo相加，得到电压环输出信号um。
也即，由于PFC电路输出存在功率脉动，在采集后需对输出电流进行陷波以滤除100Hz的两倍工频分量。再乘上预设前馈系数kf后参与到环路控制中。当负载突然增大时，输出电流增大，由于输出电流前馈调节的加入，该控制装置输出的PWM波占空比也会随之增大，从而有效避免了加载造成的输出电压跌落问题。相应地，卸载时输出电流减少，占空比减小，以避免出现母线电压出现超调而损坏开关管的问题。
本实施例通过利用预设电压基准值对输出电压采样信号进行电压补偿，对输出电流进行采样过滤计算得到输出电流前馈信号，实现在该PFC电路中加入负载前馈进行调节，以实现后续生成用于调节开关管通断的PWM波，这样利于保持母线电压稳定，使得PFC电路的输出电压保持稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定，同时避免由于母线电压的波动而损坏电路中开关管的问题，利于保证焊机实现良好的焊接效果，提升其焊接性能的稳定性。
在本申请的另一实施例中，公开了另一种功率因数校正控制方法。如图13所示，该方法在上述图11对应实施例的基础上，步骤S110替换为步骤S111：
采样功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，以分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；对上述第一电感的电流进行采样，得到电感电流采样信号。
参考图13，该实施例中，步骤S140包括：
S141，基于上述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号。
S142，根据上述锁相环输出信号和上述电压环输出信号，得到一电流参考信号。
S143，根据上述电感电流采样信号、预设电流偏置信号和上述电流参考信号，计算得到占空比基准信号。以及
S144，根据上述占空比基准信号，计算得到多路占空比信号。并根据上述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开。
示例性地，继续参考图3，电网电压Uin经过采样后，得到输入电压采样信号。输入电压采样信号通过PLL(Phase Lock Loop,锁相环)计算，生成与电网电压同频同相的锁相环输出信号iPLL，以作为第一电感的电流的参考波形。
具体而言，当检测到输入电压过零点时，分别获取第一计数器的第一计数值和第二计数器的第二计数值。基于上述第一计数值，计算得到接入电网的电压周期。将上述电压周期作为第二计数器的周期，基于上述第二计数值进行比例积分计算，得到电网的电压相位。根据接入电网的电压周期、电压相位和上述输入电压采样信号进行锁相环计算，得到锁相环输出信号。
上述过零点检测环节主要针对的是电网电压，当检测到电网电压由负变正或由正变负时，将标志位改变，同时记录下相关定时器的值，以便接下来锁频环计算与锁相环计算。锁频环是锁相环的前置环节，主要提供频率信息，即计算电网电压频率，以保证电流参考信号iref的频率与电网电压一致。锁相环主要提供相位信息，以保证锁相环输出信号的相位与电网电压一致。其中，锁频环计算与锁相环计算的具体实施过程可参考上述PFC控制装置对应实施例中的描述、以及图4至图7的实现方式，本实施例不再赘述。
本实施例在上述加入补偿电压信号和输出电流前馈信号的基础上，利用输入电压采样信号采取PLL生成锁相环输出信号，以作为第一电感的电流的参考波形进行跟随，这样进一步利于保持母线电压稳定，使得PFC电路的输出电压保持稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定。
本实施例中，电压环输出信号um和锁相环输出信号iPLL相乘并取绝对值得到电流参考信号iref。电感电流采样信号表示为iL，预设电流偏置信号表示为ibias。步骤S143中，将iL、ibias以及电流参考信号iref作为一电流环的输入，进行电流环计算，得到占空比基准信号d。
由以上分析可知：
Figure BDA0003872587180000171
其中，w表示锁相环输出信号的频率，
Figure BDA0003872587180000172
表示锁相环输出信号的相位。假设第一电感的电流跟踪电流参考信号iref，则有：
Figure BDA0003872587180000181
其中，io表示输出电流，Uin、Uo分别为输入电压的有效值、输出电压的有效值。
由此可知，输出电流前馈信号If和输出电流io成正比，即
Figure BDA0003872587180000182
因此示例性地，预设前馈系数kf可以取值为
Figure BDA0003872587180000183
根据图3可知：
Kp(iref+ibias-iL)＝d*Tc (1)，
其中，d为上述占空比基准信号，Kp为预设电流环增益系数，Tc为该控制装置的载体芯片中产生PWM波对应定时器的周期，可以通过预设生成。可通过调节预设电流环增益系数Kp来控制电流环的动态性能。
在电感电流连续模式(CCM)下，PFC电路的输入电压和输出电压需要满足：
Figure BDA0003872587180000184
联立上述公式(1)和公式(2)，令直流量与交流量分别相等，可知：
Figure BDA0003872587180000185
得到：
Figure BDA0003872587180000186
由此可知所需加入的预设电流偏置信号ibias的值。
由上述公式(1)和公式(2)可知，在输入电压过零点处，占空比需要提高到接近为，1才能提供较大的升压比，以输出较高的电压。而现有技术中未加入预设电流偏置信号的算法则很难实现这一目标，容易出现如图8所示的电流过零畸变的现象。参考图9，本申请加入预设电流偏置信号后，相当于提高了过零点处的占空比，因此可以实现电压过零点满占空比输出的目标，从而较好地解决了过零畸变的问题，减少了电流环计算中输入电流的谐波含量，利于提高PFC电路母线电压的稳定性。其中，图8和图9中的横坐标表示时间，纵坐标表示电流值。
在本申请的另一实施例中，公开了另一种功率因数校正控制方法。如图14所示，该方法在上述图13对应实施例的基础上，步骤S140中，包括上述步骤S141、S142和S143的基础上，还包括步骤：
S145，对上述第一电容和上述第二电容的电压分别进行采样，得到第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号。
S146，根据上述第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号，计算得到占空比差量值。以及
S147，根据上述占空比基准信号和占空比差量值，分别计算得到各个开关管对应的占空比。
本实施例中，利用第一电容电压采样信号uc1与第二电容电压采样信号uc2，进行均压环计算，也即输入PI控制器，得到占空比差量Δd，然后将占空比基准信号d分别加上和减去占空比差量Δd，分别得到与第一开关管Q1对应的的第一占空比信号d1，以及与第二开关管Q2对应的的第二占空比信号d2。然后基于该控制装置的载体芯片的PWM生成模块将计算得到的占空比信号转换为PWM(pulse width modulation,脉冲宽度调制)波，以控制对应的开关管导通或关断。PWM生成模块产生PWM波对应定时器的周期。其中，上述占空比信号是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。
本实施例通过上述电容均压的技术方案，能够保证两个输出电容上的电压一致，从而保证开关管承受相同的电压应力。这样可以防止由于任何一个开关管的电压太高，而导致开关管损坏的问题，利于提高该PFC电路的可靠性和稳定性。
举例来说，当第二电容C2上的电压高于第一电容C1上的电压时，即Uc2-Uc1为正，其通过PI控制器放大后的误差Δd也为正，此时d2>d1，焊机电源的后级变换器(即移相全桥逆变电路)对C1充电时间高于C2，C2电压降低，C1电压升高，直至两个电容的电压相等。
如图15所示，在本发明的一实施例中，上述步骤S141可以包括：
S1411，当检测到输入电压过零点时，分别获取第一计数器的第一计数值和第二计数器的第二计数值。
S1412，基于上述第一计数值，计算得到接入电网的电压周期。
S1413，将上述电压周期作为第二计数器的周期，基于上述第二计数值进行比例积分计算，得到电网的电压相位。
S1414，根据接入电网的电压周期、电压相位和上述输入电压采样信号进行锁相环计算，得到锁相环输出信号。
其中，本实施中的步骤S1413包括：
获取计算得到的电网的上一个电压相位。
获取上述第二计数值和前一上述电压相位之间的差值。
判断上述差值是否小于预设周期。
若是则进行比例积分计算，得到电网的当前电压相位。若否则跳转至步骤S1411。
上述过零点检测环节主要针对的是电网电压，当检测到电网电压由负变正或由正变负时，将标志位改变，同时记录下相关定时器的值，以便接下来锁频环计算与锁相环计算。锁频环是锁相环的前置环节，主要提供频率信息，即计算电网电压频率，以保证电流参考信号iref的频率与电网电压一致。锁相环主要提供相位信息，以保证锁相环输出信号的相位与电网电压一致。
综上，本发明的功率因数校正控制装置、方法及焊机电源至少具有如下优势：
本发明公开的功率因数校正控制装置、方法及焊机电源利用预设电压基准值对输出电压采样信号进行电压补偿，对输出电流进行采样过滤计算得到输出电流前馈信号，实现在该PFC电路中加入负载前馈进行调节，以实现后续生成用于调节开关管通断的PWM波，这样利于保持PFC电路的母线电压稳定，进而使得后级变换器的调节效果保持稳定，利于保证焊机实现良好的焊接效果，提升其焊接性能的稳定性能；
另一方面，本发明实现了对PFC电路中两个开关管的均压，避免其电压过高而损坏任何一个开关管，利于提升PFC电路的可靠性，进而利于保证焊机的焊接效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种功率因数校正控制装置，其特征在于，用于控制焊机电源中的功率因数校正电路，所述控制装置与所述功率因数校正电路电连接，所述功率因数校正电路包括至少一开关组件，所述控制装置包括：
采样单元，采样所述功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；
电压补偿单元，与所述采样单元连接，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号；
电压环输出单元，分别与所述采样单元以及所述电压补偿单元连接，根据所述输出电流采样信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号；
均压单元，分别与所述采样单元以及所述电压环输出单元连接，根据所述输入电压采样信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据所述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开；所述占空比信号与开关组件一一对应。
2.如权利要求1所述的功率因数校正控制装置，其特征在于，所述电压环输出单元包括：
输出电流前馈子单元，与所述采样单元连接，用于根据所述输出电流采样信号，计算得到输出电流前馈信号；
所述电压环输出单元根据所述输出电流前馈信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
3.如权利要求1所述的功率因数校正控制装置，其特征在于，所述均压单元包括：
锁相环子单元，与所述采样单元连接，所述锁相环子单元基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号；
所述均压单元根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号。
4.如权利要求3所述的功率因数校正控制装置，其特征在于，所述功率因数校正电路还包括第一电感，所述第一电感和一所述开关组件连接；
所述采样模块还用于对所述第一电感的电流进行采样，得到电感电流采样信号；所述均压单元还包括：
电流偏置计算子单元，根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，得到一电流参考信号；并根据所述电感电流采样信号、预设电流偏置信号和所述电流参考信号，计算得到占空比基准信号；以及根据所述占空比基准信号，计算得到多路占空比信号。
5.如权利要求4所述的功率因数校正控制装置，其特征在于，所述功率因数校正电路还包括相串联的第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端分别与所述第一电感以及开关组件连接，所述第二电容的第二端与所述开关组件连接；所述均压单元还包括：
占空比差量计算子单元，对所述第一电容和所述第二电容的电压分别进行采样，得到第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号；根据所述第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号，计算得到占空比差量值；所述电流偏置计算子单元根据所述占空比基准信号和占空比差量值，分别计算得到各个开关管对应的占空比信号。
6.一种功率因数校正控制方法，采用如权利要求1-5中任一项所述的功率因数校正控制装置进行控制，其特征在于，包括以下步骤：
S110，采样功率因数校正电路的输入电压、输出电压和输出电流，以分别获得输入电压采样信号、输出电压采样信号以及输出电流采样信号；
S120，根据输出电压采样信号和预设电压基准值，计算得到补偿电压信号；
S130，根据所述输出电流采样信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号；
S140，根据所述输入电压采样信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号；并根据所述占空比信号，生成脉宽调制波，以分别控制对应的开关组件导通与断开；所述占空比信号与开关组件一一对应。
7.如权利要求6所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，步骤S130包括：
根据所述输出电流采样信号，计算得到输出电流前馈信号；以及
根据所述输出电流前馈信号和所述补偿电压信号，计算得到电压环输出信号。
8.如权利要求6所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，步骤S140包括：
基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号；
根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，计算得到多路占空比信号。
9.如权利要求8所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，所述功率因数校正电路还包括第一电感，所述第一电感和一所述开关组件连接；
步骤S110还包括：
对所述第一电感的电流进行采样，得到电感电流采样信号；
步骤S140还包括：
根据所述锁相环输出信号和所述电压环输出信号，得到一电流参考信号；
根据所述电感电流采样信号、预设电流偏置信号和所述电流参考信号，计算得到占空比基准信号；以及
根据所述占空比基准信号，计算得到多路占空比信号。
10.如权利要求9所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，所述功率因数校正电路还包括相串联的第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端分别与所述第一电感以及开关组件连接，所述第二电容的第二端与所述开关组件连接；步骤S140还包括：
对所述第一电容和所述第二电容的电压分别进行采样，得到第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号；
根据所述第一电容电压采样信号和第二电容电压采样信号，计算得到占空比差量值；以及
根据所述占空比基准信号和占空比差量值，分别计算得到各个开关管对应的占空比。
11.如权利要求8所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，所述基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号，包括：
当检测到输入电压过零点时，分别获取第一计数器的第一计数值和第二计数器的第二计数值；
基于所述第一计数值，计算得到接入电网的电压周期；
将所述电压周期作为第二计数器的周期，基于所述第二计数值进行比例积分计算，得到电网的电压相位；
根据接入电网的电压周期、电压相位和所述输入电压采样信号进行锁相环计算，得到锁相环输出信号。
12.如权利要求11所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，所述基于所述输入电压采样信号，通过锁相环计算得到锁相环输出信号，包括：
获取所述第二计数值和前一所述电压相位之间的差值；
判断所述差值是否小于预设周期，若是则进行比例积分计算，得到电网的当前电压相位。
13.如权利要求7所述的功率因数校正控制方法，其特征在于，步骤S130包括：
提取所述功率因数校正电路的输出电流中的交流电流，对所述交流电流进行采样，获得输出电流采样信号；
对所述输出电流采样信号采用陷波滤波器进行滤波处理，得到输出电流前馈信号。
14.一种焊机电源，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的功率因数校正控制装置。
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