案例單相pfc控制ups

1、UPS PFC控制主要內容 PFC簡介 COMBO10kUPS PFC硬件及軟件實現矯正控制的常用拓撲結構用于如何實何實現功率因數PFCPFCPFC的目的就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數接近為1 。PFC有兩種，一種是無源PFC（也稱被動式PFC）一種是有源PFC（也稱主動式PFC）。無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數，但無源PFC的功率因數不是很高，只能達到0.70.8；有源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達到很高的功率因數，但成本要比無源PFC高一些。 PFC介紹在PFC的拓撲應用中，主要有兩種基

2、本拓撲常應用于PFC，以下列出了包括BUCK在內的三種拓撲。 IoVinVoGDSLmDn:1CoQ1(a)(b)(c)圖1 (a)BUCK電路(b)反激電路(c)BOOST電路優(yōu)點缺點BOOST電路1.輸入電流不突變，減少 EMI .2.電感電流為輸入電流，是電流控制模式控制輸入電流波形的理想方式. 3.開關額定電壓為 VO 4 .電感吸收線電壓 SPIKE . 1.不能限制過流，過載啟動.2.輸出大于輸入電壓峰值使后續(xù)的逆變電壓等級升高.3.需要隨輸出電壓變化的斜坡補償.BUCK電路除了作為 BOOST 的補充，用做限流外，不適合高功率因數校正電路。輸入電流斷續(xù)，PFC效果不好.各種拓撲應

3、用于PFC時的優(yōu)缺點比較優(yōu)點缺點FLAYBACK電流連續(xù)模式1.輸出電壓可以大于或則小于輸出電壓峰值。2. 能夠控制啟動電流沖擊和過載.1.要求開關管的電壓等級高VOUT+VIN 。2.突變的輸入電流使很難濾除 EMI3.用電流模式很難控制輸入正弦半波 4.需要斜坡補償 FLAYBACK電流斷續(xù)模式1.每個正弦半周內通過控制和固定導通時間自動輸入正弦半波 2.無須斜坡補償 峰值電流接近連續(xù)模式的兩倍 PFC實現核心：通過調節(jié)電流信號的平均幅度來控制輸出電壓。整流線電壓和電壓誤差放大器的輸出相乘，建立了電流參考信號，這樣，這個電流參考信號就具有輸入電壓的波形，同時，也具有輸出電壓的平均幅值。目前

4、PFC常用控制方法模擬控制：方法簡單直接。但是，控制電路的元器件比較多，電路適應性差，容易受到噪聲的干擾，而且調試麻煩。 數字控制：有限的帶寬和采樣頻率，離散效果和處理延遲會嚴重影響控制的效果。 PFC控制方法：Combo10k PFC架構在市電的正負半周,分別由上下橋臂開關器件、電感和二極管組合實現對正負BUS的升壓，可等效于兩個BOOST型的升壓電路。圖(2)單boost電路如下:為避免電感磁芯飽和，在一個開關周期中，L1必須遵循伏秒平衡。以圖中 流向為正方向，在S1開通時INIINLVV1oINLVVV1在S1關斷時假定：S1占空比為d,則0)1 (*)(*dVVdVoININ即dVVI

5、NO11（1-1）圖(3)由于功率管的開關頻率遠遠高于市電頻率，因此我們認為狀態(tài)的轉換是在瞬間完成的。于是可利用狀態(tài)空間平均技術，在一個開關周期Ts內，對PFC模型進行等效處理。dXTtXtTt)(1)(（1-2）圖(4)根據基爾訶夫電壓定理和電流定理，我們可以得到如下的基本電壓電流方程11111)()()()1 ()(*)1 ()()(ZtVdttdVCtidtVddttdiLtVPBUSPBUSLPBUSLPS以電感電流 ,BUS電壓 作為狀態(tài)變量其狀態(tài)方程如下：1111111)()()1 ()()()()1 ()(ZCtVCtiddttdVLtVtVLddttdiPBUSLPBUSPSP

6、BUSL)(tiL)(tVPBUS（1-3）（1-4）要進行線性控制就需要在電路的工作點附近對系統(tǒng)進行線性化處理，對應的物理意義就是對上式各分量施加擾動，我們對擾動量進行控制。PSPSPSPBUSPBUSPBUSLLLVVtVVVtViitidDd)()()(111其中PBUSLViD、1為各信號量在一個周期內的平均值PSV為市電電壓有效值1diVVLPBUSPS、為各信號對應的擾動分量（1-5）對于系統(tǒng)狀態(tài)方程（1-3），有),(tRXfdtdX定義0),(tRXf時的狀態(tài)為平衡態(tài)，即為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點，對于連續(xù)的狀態(tài)方程f，可使用泰勒技術進行線性化0),(|dtdXRXfORrfXxfdt

7、dXdtdXdcacxacracdc（1-6）根據式（1-5）可將系統(tǒng)狀態(tài)方程線性化為1111111111111ZCViCdiCDdtVdLVVLdVLDdtidPBUSLLPBUSPSPBUSPBUSL（1-7）在這里我們假設輸入電壓 0PSV得到傳函如下： )2( )()(12)()(1111121121122111111211SCZDsLZDsisVsZDLsDCLsZCZDVsdsiLPBUSPBUSL（1-8）其中111DD雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計在UPS PFC控制中雙閉環(huán)控制系統(tǒng)主要是指電壓外環(huán)和電流內環(huán)，通過內環(huán)對電流的控制，能夠加快電壓的響應速度，并且能夠在電流過大的時候及時的進

8、行保護和限流。目前公司PFC所使用的控制器結構，都是經過模擬控制器演變而來，其傳遞函數如下：)()()(bssasKsG（1-9）多環(huán)控制系統(tǒng)設計的基本原則如下：先設計內環(huán)，再設計外環(huán)外環(huán)調節(jié)器的輸出為內環(huán)的給定內環(huán)要快于外環(huán)，其設計在穩(wěn)定性的基礎上，盡可能的滿足快速性的要求，外環(huán)主要滿足抗干擾性COMBO10KUPS PFC控制框圖圖(5)電流環(huán)的設計下面給定我們的電路模型參數:8 . 0cos,1%,92,450,5151,57. 0/,220,3801KVAPFCHLVVDVVVVOPBUSPSPSPBUS假設效率我們可計算等效電阻為:3325 . 0*cos*21OPBUSPVZ根據式

9、(1-7)可得到110*774. 410*133. 7046. 75263. 0)()(6271ssssdsiL（1-10）其開環(huán)幅頻特性和相頻特性如下圖所示:圖(6)從圖(6)中可以看出,對象的截止頻率為srad /10*92. 55另外我們也可以看出，當srad /1500時,對象與積分環(huán)節(jié)特性非常相似。根據PFC的設計文獻，一般將PFC電流環(huán)的截止頻率設計在1.5KHz（9424rad/s）附近，一方面為了滿足快速性的要求，另一方面濾除電感電流的高頻分量，使電感電流的THD減小。在實際搭建的PFC電路中，電感電流到AD采樣值的比率為60.6，因此從10K程序中我們可得到電流環(huán)的控制框圖如

10、下圖所示：在10K PFC程序中查到CurrentFeedback=5 CurrentForward=160圖(7)從圖(7)中可以看出來，電流環(huán)調節(jié)對象的開環(huán)傳遞函數：4/32/26208/160*5*6 .60*)()(sGidsGci圖(8)從圖(8)中可以看出來，系統(tǒng)開環(huán)截止頻率1.03e4rad/s。此時相位延遲為-90度，如果在控制器中加一個積分環(huán)節(jié)(-90度)，系統(tǒng)就變得不穩(wěn)定了。為了對相位進行補償，我們必須增加零點或微分環(huán)節(jié)。對于程序中使用的控制器（1-9）。我們先設計零極點，再設計比例系數。選擇電流環(huán)的截止頻率為1.5KHz(9000rad/s)左右。電流環(huán)控制器的設計從圖(

11、8)中可以看出，開環(huán)系統(tǒng)在1.5KHz時的相角為 為了使控制能達到較好的性能，我們設計相角裕量為45度。度901因此加入調節(jié)器后，其相角為：因此度4590180312度453其中 為零極點相對相角的補償量。為了使系統(tǒng)以-1 斜率穿過零分貝線，則必須使零點小于截止頻率，極點大于截止頻率。 3選零點為5000rad/s,極點為32200rad/s,可以算出在1.7kHz時，零點超前64度，極點滯后17度。另外我們選擇K=33000，使系統(tǒng)截止頻率在1.7K附近度473則電流環(huán)控制器為：)32200()5000(33000)(ssssGc（1-11）圖(9)電壓環(huán)的設計14. 108516. 09

12、.107000515. 0)2( )()(1111121ssSCZDsLZDsisVLPBUS根據P18給定的系統(tǒng)參數，依照式（1-8）可算出電感電流到輸出電壓的傳遞函數，如下：（1-12）其bode圖如圖(10)中紅線所示。從圖中可以看出，正實零點對開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性的影響與負實零點相同。另一方面，由于我們設計電壓環(huán)的時候，一般都將電壓調節(jié)器的截止頻率設定為25Hz以下。我們可以看出,由于電壓環(huán)的截止頻率很低, 因此我們可忽略正實零點對系統(tǒng)性能的影響。從圖中可以看到,正零點對系統(tǒng)的相位有延遲作用.當頻率小于1000rad/s時,其滯后作用可以忽略，可等效為慣性環(huán)節(jié)：4 .131267sGui

13、（1-13）圖(10)由于電流環(huán)的截止頻率相對電壓環(huán)很高，因此對于電壓環(huán)來說，電流環(huán)等效為一個跟隨器。在實際搭建的PFC電路中，BUS電壓到AD采樣值的比率為8.332，因此從combo10K程序中我們可得到電流環(huán)的控制框圖如下圖所示：在COMBO10K PFC程序中查到CurrentFeedback=15 CurrentForward=10圖(11)電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數為：5/6 .60/32/4*15*10*)()(sGivsGcv其開環(huán)傳遞函數為：從圖中可知在未加入調節(jié)器前，系統(tǒng)截止頻率為77.8Rad/s（12.3Hz）,此時系統(tǒng)的相角為：度801圖(12)采用控制器結構如式（1-9）所

14、示。由前面的分析可知，在未加入控制器前，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數的截止頻率為77.8rad/s,相角為-80度。我們假設將電壓環(huán)的截止頻率選為22Hz，取相角穩(wěn)定裕量為45度。度4590180312電壓環(huán)控制器的設計則度353選擇零點在50rad/s，極點在240rad/s。系統(tǒng)在138rad/s時的相角為：135度。另外選擇比例系數K=500。則調節(jié)器的傳遞函數為)240()50(600)(ssssGcv（1-14）電壓環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)bode圖如下圖所以。系統(tǒng)截止頻率為141rad/s，相角裕量為45度圖(13)下圖為10k市電模式下PFC控制框圖：10K軟體實現圖(14)在PFC控制中，一方面要求電

15、流的正弦度要好，另一方面，電流要可靠地跟蹤輸入電壓。在COMBO10K程序中引入PFC的整流電壓和BUS電壓作為前饋量?？捎萌缦滦问絹肀硎綛USdrBUScVVVsG*)(（1-15）由于前饋基本上不受系統(tǒng)延遲的影響，所以其調節(jié)更為迅速，特別地，當市電電壓過零附近，前饋分量接近1，這時即使反饋分量很小，控制器也會輸出較大duty，保證了系統(tǒng)調節(jié)的快速性。PFC中斷主要用于相關信號量的采樣、計算及實現PFC控制算法。其軟體流程圖如下：圖(15)PFC控制器框圖圖(16)圖(17)在圖(17)中，電流控制器和電壓控制器分別為式（1-11）和（1-14）所示結構。但是程序控制中需要將S域的形式變成Z

16、域，因此我們在編寫程序前需要先將控制器離散化。在10k程序中，電流環(huán)控制器采用采用雙線性變換進行離散，電壓環(huán)控制器采用零階保持器進行離散。（可使用MATLAB）在10k程序中，電流環(huán)采樣時間為：52us電壓環(huán)采樣時間為：52*16=832us 采樣延遲問題數字式控制器會由于采樣和計算的原因帶來延遲。在一般的數字控制應用中，都假設采樣頻率是系統(tǒng)截止頻率的20-30倍，這樣延遲帶來的影響就可以不考慮。但是對于電流環(huán)控制器來說，這一假設并不成立，必須對采樣帶來的延遲加以補償。 電流環(huán)控制器的結構可表示為下圖形式。這里在電流信號Iac中添加了一個采樣保持器，控制器是離散形式。Gi(z)eBoostIm

17、oPWM-Iac圖(18)電流采樣和PWM時序在第一個周期中，A/D轉換啟動后，將輸入電流信號轉為數字量并進行計算，當到達時計算尚未完成，此時使用的還是上一拍電流環(huán)控制器輸出的比較信號。在點PFC模塊完成了電流控制器輸出的計算并裝入寄存器中，在點新的控制器輸出產生作用。因此從采樣到控制信號起作用中間存在一拍延遲。 圖中曲線表示的是DSP內部產生PWM所使用的比較信號，是電流環(huán)控制器的輸出，是輸出的PWM信號，點是DSP中PFC模塊的采樣點，是第一個周期中PWM信號的翻轉點，是新的電流環(huán)輸出的更新點，是第二個周期中PWM信號的翻轉點。圖(19)控制回路中延遲的作用是產生相位遲后，如果控制器沒有足

18、夠的相位裕度，相位滯后會導致不穩(wěn)定的結果。對于電流環(huán)控制器來說，其截止頻率距離開關頻率越近，相位滯后的作用就更加明顯，但是為了減小電流環(huán)的跟蹤誤差，就必須提高截止頻率，保證穩(wěn)定性和保證跟蹤性能的要求是矛盾的。為了解決這一問題，就需要考慮使用預測方法對延遲進行補償。 在文檔P20中提到，當電流環(huán)截止頻率足夠大時，對電流環(huán)來說，慮將受控對象模型近似表示為一個積分環(huán)節(jié)。sKsG)(對模型加零階保持器進行離散化則有： 1)(zTKzG假設Boost電路輸入電流采樣為ik，電流控制器的輸出為uk，那么由上面的離散模型有 11kkkTKuii下一個采樣點時輸入電流值估計值可以表示為 )(111kkkkkkkkiiuuiTKuii(1-16)問題在于，G(