（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的单相pfc控制器的研究.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标洼和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：盘查笈 文国午弓月g 日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后疲遵守此规定) 论文作者叠名：垄叁丛导师签名：至竖垫 a 田年岁月憾日 摘要 基于d s p 的单相p f c 控制器的研究 研究生姓名： 导师姓名： 摘要 从电网获取交流电经整流后为设备提供直流电是电力电子技术中应用极为 广泛的一种整流方案，然而由这种整流方案设计的电路使输入电流产生严重的畸 变，其谐波电流严重污染了电网，输入端功率因数大大下降。随着i e c l 0 0 0 3 - 2 等国际标准的颁布和强制执行，功率因数校正( p f c ) 技术已成为电力电子领域 的一个研究热点。 本文在平均电流模式控制的有源功率因数校正技术的基础上设计了一种控 制电路基于数字信号处理器( d s p ) 、主电路采用b o o s t 变换器拓扑结构的全数字 单相功率因数校正器，用数字电路代替传统的模拟电路来实现对整个回路的控 制，晟终使得校正器具有输入功率因数接近于l 、低电流谐波以及高转换效率的 特性。 p f c 系统的控制电路采用电流环与电压环双闭环控制结构，控制算法采用传 统的p i 算法。文中对p f c 电路的小信号模型进行了研究，并建立了系统的简化 平均小信号模型，在此基础上，以系统的动态特性和稳定性为设计指标，具体给 出了双闭环系统中p i 调节器的设计方法。此外，本文对电压与电流的采样算法 西安理工大学硬士学位论文 也进行了研究。 实验样机主要由主电路、控制电路和辅助电源电路等三部分组成。主电路采 用b 0 0 s t 变换器拓扑结构：控制电路主要由核处理器a d s p 2 1 0 6 5 l 、a 他转换器 和实现d p w m 及地址解码功能的c p l d 等器件组成；辅助电源电路为控制电路 中各器件提供工作电压。 软件系统由初始化模块、p i 算法模块、软启动算法模块、采样算法模块、中 断子程序模块等几个可以实现独立功能的模块组成这些功能模块在主程序的控 制连接下，实现了一个完整的系统。这种软件系统不仅使程序简洁、易读，而且 更便于系统的升级。 本文的设计思想与相关结论经仿真与实验得到验证。 关键词：功率因数校正小信号模型数字控制数字信号处理器 一 ! ! ! ! ! ! ! ! 一一 _ _ _ _ _ _ - _ j - _ _ - _ _ _ 一 ad s p b a s e dc o n t r o ls t r a t e g yf o rs 工n g l e p h a s ep o w e r s u p e r v i s o r s f a c t o rc o r r e c t o r e 黢”_ 丽晰 s t u d e n t sn a m e ： 譬户必 a b s t r a c t t h er e c t i f i e r s c h e m et h a t d i r e c tc u r r e n ts u p p l y i n gw i t hp 。w e r e l e c t r o n i ce q u i d m e n ti so b t a i n e db ya l t e r n a t i n gc u r r e n tb e i n gr e c t i f i e d i sw i d e l ya p p 】ie d i np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d i | o w e v e r t h er e c t i f y i n g c i r c u i t sr e s u l ti ni n p u tc u r r e n td i s t o r t i o n ， i n p u tp 。w e rf a c t o rg r e a t l y d e c r e a s e w i t hp r 。m u l g a t i 。na n do b l i g i n ga c t u a l i z a t i o no fi e e l o o o 一3 2 e t c i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n( p f c )t e c h n i q u e b e c o m eah 。t s p o to fr e s e a r c hi np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d b a s e do na v e r a g ec u r r e n t 加o d e ， t h ep a p e ri n t r 。d u c et h ed e s i g na n d i m d l e m e n t a t i o no faf u l i yd i g i t a lc 。n t r o l l e ds i n g l e p h a s eb o o s tp o w e r f a c t 。rc o r r e c t 。rw i t hf a s tr e s p o n s e t h ec 。n t r 。l l o o pc i r c u i ti sr e a l i z c d u s i n gd i g i t a lc o n t r o la n dt h ec o r r e c t o rc a nt e n dt ou n i t yp o w e rf a c t o r 1 0 w e rc u r r e n th a r m o n i c sa n dh i g hl r a n s f e re f f i c i e n c y t h ed 。u b l ec l o s e d l 。o p sf r a m e w o r ki sa p p l i e di nt h ep f cc o n t r o l c i r c u i la n d t h ep ia l g o r i t h misa d 。p t e da ss y s t e m sc o n t r o la l g o r i t h m t h ep a p e rr e s e a r c hs m a l 卜s i g n a lm o d e l o f p r cc i r c u i ta n db u i l dt h e 西安理工大学硕士学位论文 s i m p l i f i e da v e r a g e s m a l l 一s i g n a lm o d e lo f t h es y s t e m t h e t h e s i s d e v e l o pd e s j g nm e t h o do fp ir e g u l a t o r sw h i c ha r ea p p l i e d c l ( ) s 。d l o o p ss y s t c m f u r t h e r m o r e ，t h es a m p l i n ga l g o r i t h mo fv o t a g ea n d c u r r e n tv a r i a b l e si s a 1s oa n a 】y s e di nt h i sp a p e r 1 h ep r o t o t y p ei n c l u d et h r e ep a r t s t h em a i nc i r c u i ta d o p tb o o s t c o n v e r t e rt o p 0 1 0 9 y ：t h ec o nc r o lc i r c u jli sm a d eu po ra d s p 一2 1 0 6 5 【| c o r c p j o c c s s o r 、a dc o n v e r t e ra n dc p l dw h i c hr e a l i z et h ef u n c t i o n so fd i g i t a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( d p w m ) a n da d d r e s sd c c o d i n g ；t h ea u x i l i a r yp o w e r s u p p lya f f o r dw o r kv o l t a g eo fe v e t yd e v i c e t h cs o f t w a r es y s t e mc o n s i sl( ) rs o m es ( ) f t w a r em o d u le s w h ic h l _ o a l i z i n gi n d e p c n d e n tf u n c t i o n s ， s u c ha sj n i t i a l jz a t i o nm o d u l e 、p i a l g o r i t h mm o d u l e 、s a m p l i n ga l g o r i t h mm o d u l ea n di n t e r r u p tm o d u l e u n d e r c o n n e c t i o no f t h em a i np r o g r a m ，t h e s em o d u l e sr e a li z ea ni n t e g r a t e d s y s l e m - a l1 d e s i g nt h o u g h t sa n dt h e o r e ti c a lr e s u l t sa r ev e r f i o db y k e v w o r d s ： c o n ”o l d i g i l a i p r o t o t y p e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n s m a l l s i g n a lm o d e id i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r 绪论 1 绪论 1 1 前言 在大部分用电殴备中，如开关电源、不间断电源( u p s ) 以及交流 和直流电机，a c d c 变换器是必不可少的一部分。a c 电源经全波整流 后，一般接一个大电容，如图1 1 所示，以得到较为平直的直流电压。 由于整流器一电容滤波电路是种非线性元件和储能元件的组合，因而 虽然输入交流电压v 是正弦的，但输入交流电流i 却发生严重畸变，波 形呈脉冲状，如图1 2 。 i i n 。陵_。 i j 、i 罔卜l c d c 整流电路瞄图卜2 输入电压与电流波形 电流波形的这种畸变及由此产生的网侧电压波形的畸变给系统本身 和周围的电磁环境带来一系列的危害，对电力系统产生污染，对通信系 统产生干扰，还可引起仪器仪表利保护装置的误测量、误动作，这就是 通常所说的“谐波污染”。随着i e c 1 0 0 0 3 2 和e n 6 1 0 0 0 3 2 等国际标准 的颁布和强制执行，使用有效的校正技术来降低谐波污染已是当务之急， 建立在现代高频功率变换技术之上的有源功率因数校正( a p f c ) 技术就 是解决谐波污染的有效手段。 传统的a p f c 电路主要是由专用的p f c 控制芯片来实现，其中以 u n i t r o d e 公司的u c 3 8 5 4 “1 为典型代表，如图卜3 。 西安理工大学硕士学位论文 圜卜3i f c 皿型电路原理| 罨| 这种模拟的p f c 电路实现了对连续信号的处理，具有很商的带宽， 从而大大提高了功率因数，减小了输入电流谐波，达到了很好的控制效 果。然而，这种专用芯片控制的电路本身具有模拟电路固有的缺陷“： 1 元器件老化及热飘移问题的存在； 2 难以实现系统的更新和性能的进一步优化： 3 只能实现简单的p i d 控制算法等。 这些问题的存在，大大抑制了a p f c 技术的进一步发展。随着i c 技 术和现代电力电子技术的迅速发展，以d s p 为核心的数字控制技术已广 泛应用于电力电子技术领域中，这种数字控制电路不仅弥补了模拟电路 的缺陷，而且它还具有一些模拟电路无法比拟的优点“”1 3 ”： 1 可以实现更加先进和复杂的控制方法，比如非线性控制、自 适应控制等； 2 电路的标准化和模块化，易于实现系统的集成； 3 、控制灵活，系统的维护与升级方便； 4 大火提高了控制系统的抗干扰性，可靠性； 5 应用于电源领域中，可以使整套电源系统( 包括a c d c ，d c d c 变换器、电池充放电以及能量管理) 一体化，易于实时监测和集中控制。 绪论 当然，从当前来说，数字控制技术也存在一些缺点，比如说由于算 法计算而引起的系统时间延迟、信号处理器字长限制引起的数据处理限 制等。不过，随着d s p 技术的日益成熟，控制算法的发展和d s p 芯片性 价比的不断提高，这些问题都会被逐渐解决，嵌入式d s p 数字控制系统 必将更加广泛的应用于相关技术领域。 近年来，随着i c 技术的进一步发展，又相继出现了嵌入p w m 、a d 转换器、p i o ( p r 。g r a a b l ei n p u t o p u t ) 等功能的专用d s p 控制芯片， 像t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x ，a d i 公司的a d m c x x x 和m o t o r o l a 的d s p 5 6 8 0 0 等，这些专用控制芯片以其强大的性能，较高的性价比，广泛地应用在 电机控制、不间断电源( u p s ) 、开关电源等控制领域，这大大推进了这 些领域的技术发展。 就本课题研究的基于d s p 控制的有源功率因数校正技术( a p f c ) 领 域来晚，美国的v i r g i n i a 电力电子中心处于这一领域的前端，国内的浙 江大学与v i r g i n i a 电力电子中心协作也在开展这一方向的研究。此外， 国际上一些著名的d s p 芯片厂商像t i 、a d i 、m o t o r o l a 等以各自d s p 芯 片为基础，在这方面也作了大量的研究，提出了一些经典的控制方法和 算法。从目前国内外的研究现状来看，在这个领域的研究主要集中在几 个方面：拓扑结构、控制算法、采样算法。 目前，许多文献“”1 ”1 对d s p 控制的p f c 电路的研究都是以b o 。s t 变换器的主拓扑结构为基础的，这主要是凶为这种拓扑结构的电感电流 即为输入电流，电流波形连续，通过对电感电流的控制就可以得到比较 好的输入电流波形，它还是一种升压变换器，设计和实现比较容易。当 然b o o s t 变换器拓扑结构并不是实现p f c 电路的唯一拓扑，多年来，人 们也在不断的研究基于其他拓扑结构的p f c 电路，并在理论和实验上取 得了一定的成果， 在大多数文献中，p f c 数字控制仍采用模拟电路的电压环与电流环双 闭环控制结构，控制算法采用经典的p i 算法，它的结构简单，实现起来 西安理工大学硕士学住论文 比较容易，加上软件系统的灵活性，p i 算法还可以不断得到修正和完善， 因而能够满足一般系统的设计要求。然而在一些要求高的应用场合。f ， 由p i 控制器构成的系统其动态特性、可靠性却不尽如意。针对传统控制 控制算法存在的这些问题，伴随现代控制理论的不断发展，许多更新更 高级的控制算法随之涌现。文献“7 1 中，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和s t 5 2 x 4 2 0 为 控制核心，采用模糊控制算法实现数字控制p f c 电路，并取得了理想的 控制效果，文献“”1 中，用滑模控制算法代替传统的p i 控制算法，使 系统具有强鲁棒性和快速性等特性，此外还有自适应控制”7 1 ( a d a p t i v e c o n t r 0 1 ) 、预测控制( p r e d e c t i v ec o n t r 0 1 ) 等。相信随着研究的不断 深入，将会有更多、更合适电源控制的智能控制策略。 对采样算法来说，主要集中在刘采样点选取的研究。众所剧知，基 于d s p 控制的p f c 电路需要对三个模拟量进行检测，输入整流电压v 。、 输出电压v 。、电感电流i 。，其中电流采样点的选取最为重要，采样点选 取的不合适，会加重输入电流的波形畸变，甚至导致系统不稳定，凶此 许多文献也对采样算法进行了深入研究。文献”采用的是一利，固定延时 采样的算法，即以每个开关周期的起始时刻为起点，延迟一定的时间后， a d 转换器开始采样。这种方法虽然能够避免把采样点选取在振荡区，但 是会导致实际采样值与理想控制值之间产生较大误差，最终使得控制效 果不太理想。文献”1 中的采样算法能够很好解决上述问题，得到好的控 制效果，然而实现起来却比较复杂。文献阳”“”中提出的采样算法不仅 很好的避免了上述情况，而且简单，用一个定时器就可以实现，这种采 样算法也是目前最理想的一种采样算法。本文采用的正是这利，采样算法。 近年来，人们在数字控制p f c 技术这个领域的研究又有了进一步的 深入，文献“”中所提出的p f c 技术，突破了传统的基于乘法器的双闭环 控制结构，采用了新颖的控制结构和采样方法，并且取得了相当好的效 果。以上即为多年来国内外文献i = 】所反映的在数字控制p f c 技术领域的 主要研究概况。 数字控制p f c 电路的模型与算法研究 2 数字控制p f c 电路的模型与算法研究 2 1 基于b o o s t 变换器实现的p f c 电路工作原理1 本系统主电路采用的是b o 。s t 型的主拓扑结构，系统输入电流即为 电感电流，采用平均电流的控制模式，对电感电流进行检测，最终可以 得到比较平滑的输入电流波形。因而这里着重介绍平均电流模式控制的 p f c 电路工作原理，图2 1 为b o o s t 型有源功率迭j 数校正电路原理图。 图2 1 平均电流法控制的b o o s t 功率因数校正电路原理 工作原理：输出电压经分压后与参考电压吃，比较，然后经电压 环控制器处理，得到电压环控制信号，屹与输入整流后的电压值圪女l 相乘，得到电流的基准信号，此基准电流信号中不仪包含了调节输出电 压的信号成分，而且也包含了电流所要跟随的正弦信号成分，输入电流f ， 与基准信号比较后输入电流环控制器，得到的输出为个占空比电压信 号吒，屹然后通过p m 发生群产生驱动信号来控制开关管的通断。因为 西安理工大学硕士学位论文 控制信号是占空比周期性变化的信号，所以得到的输入电流波形跟随输 入电压整流后的波形，当开关频率比输入电压频率高的多时，输入电 流具有与输入电压相同的电压波形 阻”性，功率因数接近于l 。 图2 2 为平均电流控 制时电感电流波形图。平均 电流控制模式的特点是：工 频电流是高频电流的平均 值，因而高频电流的峰值比 工频电流的峰值更高：t h d 很小，对噪声不敏感，电感 电流峰值与平均值之间的 误差小；原则上可以检测任 意拓扑的电流。 2 2 双闭环控制算法 从输入端来看，整个负载好象呈“纯 从系统角度来看，本系统中p f c 电路采用的是双闭环控制结构，即 电流内环和电压外环控制，电流内环控制电感电流跟随输入电压的变化， 使得从变换器的输入端看进去，负载呈“阻”性。电压外环输出与整流 后的输入电压信号相乘，得到电流基准信号，通过调节电流基准信号的 平均幅值，使得输出为恒定的直流电压。 随着现代电力电子技术的发展，在双闭环控制结构的基础上，人们 提出了许多新的控制算法，像模糊控制算法”、滑模控制算法“1 等，这 些算法虽然能够得到好的控制效果，但是比较复杂，不易于实现。这里 仍采用经典的p i 控制算法“”“”7 “”1 ，它的结构简单，实现起来比较容 易，加上软件系统的灵活性，p i 算法还可以不断得到修正和完善，因而 j l 图 旷 姗流 u 脱电 几 懈 l 蛳珐 一 u 玛平 厂p 2 图 呻 m 敷字控制p f c 电路的模型与算法研究 能够满足一般系统的设计要求。算法结构如图2 3 。 州2 3 控制算法框图 从图2 3 中，可以得出电压环p i 控制器的传递函数为 g 。) 2 考毒一争 c z - ， 式( 21 ) 中，令 e t = p “一f m 。 为了消除高频( f 。2 ) 部分的影响，采用双线性变换m ，。：三匕兰 7 1 + z 刈式( 2 1 ) ，进行z 变换，得 s - g 。( s ) = s - k 。+ k ，。 号哥搿一号鲁“；，7 ：l + z 。 g l ( z )一9 ”r l + z “ 2 0 一z1 ) 屹( z ) = k ，2 0 z 1 ) e ( z ) + k 。7 ：0 + z 一1 ) p ，( z ) 2 屹以) 一屹坼1 ) = 岸，。- 2 k ，犯) 一e ，( 女一1 ) 】+ k ，c k ( a ) + e 。( r 1 ) 嘶) 砌_ 1 ) 如+ 等 僻( b 一等扣船_ 1 ) 9 兰望塾塑堡墨 再令 m = k ，。+ 查乒：彤，。一竺 ，则电压环p i 算法公 式可化简为 圪以) = 圪似_ 1 ) + 吖* e ，以) 一靶。( t 一1 )( 2 2 ) 同理，由图2 3 可以得出电流环p i 控制器的传递函数 啪卜i 甚，+ 争 ( 2 - 。) 式( 2 3 ) 中，令 p 25 _ 一町一形一一 同样，对式( 2 3 ) 进行双线性z 变换，得 以啦嘶叫小+ 矧一卜等k ， 令p 一一等q j 则电流环p i 算法公式可化简为 吒( 后) 2 以( t i ) + p p 2 ( 七) 一q e ：( 女一1 )( 2 4 ) 此外，从算法框图中，可以看出电压环与电流环有如下关系： e 。恤) = 名 ) + k ( 七) 一一忙) ( 2 5 ) 2 3 电流采样算法 在设计数字控制的p f c 电路系统时，为了消除噪音和提高功率密度， 开关频率一般工作在2 0 k h z 以上，而为了得到更好的动态特性，采样频 率一般会比开关频率更高，也就是一个开关周期内要完成一次甚至多次 泶样，这就要求a d 转换器的转换时问非常小，只有高档的a d 转换器 才能满足这种要求，这无疑增加了设计成本。综合各方面的考虑，本文 采用单周期单点采样( s s o p ) 的采样方法1 。从表面上看来这属于欠采 数字控制p f c 电路的模型与算法研究 样，会在整个信号中引入一个伪信号，然而这只是对于一个连续的信号 来说的。这里，我们是在一个周期里采样一个点，涉及的只是连续信号 在一个周期中采样点的幅值，并不是要去恢复r 一个连续的电流信号( 三 个指标频率、相位、幅值) ，所以这种采样算法并不违背香农采样定理， 在设h 一巾也就不必考虑这种欠采样带来的影响。 众所周知，在p f c 电路系统巾，三个模拟量都需要进行采样。对于 电感电流来况，它属于高频信号，需要实时地进行检测，因而必须严格 的选取电流采样点：剥属于低频信号的两个电搓是来说，一个周期内， 它们的值儿乎彳i 变，因而采样点的选取并没有电流那样严格。在每个丌 关周期的开通、关断时刻，输入电流都会产，l 三一个大的开关噪卢，受其 影响，在开关点上要出现段时问的高频振荡，如果采样点正好取在这 个时问段内，采样值与实际值会产生很大的误差，这个误差甚至可能导 致系统不稳定。因此在选取模拟量的采样点时，应尽量避开开关点和这 段振荡时问。此外，对于p f c 电路来说，在一个半波周期内，d p w m 输出 信号的占空比是按人一小一大的趋势不断变化的，与之丰 对应，开关点就 会有一个很大的变动范围。 当交流侧输入电压过零时，d p 输出信号的占空比达到l ，而当输 入电压达到其波峰值时，占卒比为最小值d n 。， 砜。斗孥 s ， 如果按输入为宽电压8 5 v2 6 5 v ，输j _ 5 为4 0 0 v 的指标来进行设计，那 么9 仪为o 0 7 。如果此时采样时刻正好选择在导通时间段内，这么小 的d 。将不能满足a d 转换器采样与转换时间的要求，因而我们彳i 能简 单的把采样点一直耳】( 在电流上升沿或者一真取在电流的下降沿，为此我 们采用下面的采样算法“”“”“”：根据上一周期计算出的本周期占空比 大小来确定本周期模拟量的采样点时刻( 栩对于开关剧期开始时刻) 。当 占空比大于0 5 时，采样点在电流上升沿的中点；当小于0 5 时，采样 西安理工大学硕士学位论文 点在电流下降沿的中点。本系统采用的是平均电流模式的控制方法，因 而采样点无论是在电流上升沿中点还是下降沿中点，理想的采样点都是 在参考电流的曲线上。 在d s p 控制的p f c 系统中，确定采样点时刻的任务可以由一个定时 器米完成。 d ( ”) o 5d 0 ) 0 5 ( 2 - 7 ) 毛= 生掣td 0 ) o 5 ( 2 8 ) 式中，d 0 ) 为第n 个周期占空比，t 为开关周期。毛是通过d s p 的定时 器t i m e r 0 来实现的。 如果设全局时钟频率( 晶振频率) 为气，由a d s p 一2 1 0 6 5 l 的特性可 知，每条指令的执行时间为 = 麦 啕， 在本系统中，d p w m 电路的计数器时钟c l k 采用的是全局时钟信号， 同步时钟信号s y n 与开关信号同步，如果设d p w m 是n 位实现电路，则由 数字控制p f c 电路的模型与算法研究 d p w m 运行原理得 ，一，n 上 为r 便于运算，将公式( 2 7 ) 、 t ! = k i ? ； 式r ，当如) o5 时，k ：墨掣： 为 ( 2 8 ) 化简为 ( 2 一l o ) 结合公式( 2 9 ) 、( 2 一1 0 ) 、( 21 1 ) ，可得l j 计数器t i m e r o 的计数值w ：j l ：旦：堕：2 一+ k( 2 一1 2 ) 7 t 。兰l 2 女正，。 2 ”1 代入k 值则， 当d ( ) o 5 时，= 2 ”1 + d ( h ) 当d ( ) 吃， 时，功率管导通；当心 。时，功率管关断，调制器工作过程的波形如 下图。 厂 _ _ 一 h 一7 ：一叫 假设在第n 个开关周期，误差控制电压t 的平均值为玩，那么这个 周划的占空比为 d ：拿：旦 ( 22 9 ) 瓦比 由此可知，调制器传递函数为 噼詈2 古兰寿 3 式中t 。为锯凼波。的峰一峰电压值，s ，为锯齿波吃。的斜率。 2 5 电压环槽型滤波器设计 设输入电压k 。( f ) = j _ s i n w r ，尸f = l ，那么输入电流为 ，。( ，) = y 。( f ) = 砌，s i n l f 西安理工大学硕士学位论文 式中，= ，l 。 输入功率 r o ) = 互ks i n w ，+ 扫，s i n w ，= ，| 一k ，c o s 2 w f 由于输出端有一个相当大的电容，所以输出电压可看成直流k 。 输出功率 ( f ) = k ( f ) 式中，( f ) = ，。+ ( ，) 。 在理想情况下，根据功率平衡原理，r ( ，) = ( f ) ，则 吐“m 等一等c o s 2 m 由此可得出 。等= 一等c o s z 州- 一，。c o s ：w z 则输出电容上电压为 v 如舭* 吉见弘一嘉s i n z w ， ( z 吲) 眦2 嘉s i n 2 w ， v i “ l i n h g 0 麓二么。：。v 0 一：a a z 。 陶2 一1 2p f c 电路输入输出特性波形图 从式( 2 3 1 ) 可以看出，输出直流电压始终有一个二倍于线频，的纹 波电压存在，这大大降低了电压环的动态特性，引起电流畸变，尤其是 数字控制p f c 电路的模型与算法研究 增加，三次谐波电流。要消除这个纹波电压，文献”“3 1 提山了两种力 法，种是纹波电压补偿法，另一种就是在电压环路中引入楷型滤波器 ( n o t c hf i l t e r ) 来滤除纹波电压，如图2 一1 3 。存数字控制系统中，一 个滤波器环节无非就是在软件程序叶i 加入一个滤波模块，实现起来比较 容易，所以这里采用第二种纹波消除方法。 参考电压 槽形滤波器电压调节器 烈23 输出电压耶n o t c l i 滤波器实现图 图2 一1 3 为加入槽形滤波器后的电压环实现图，理想的槽型滤波器有 如f 特性： 中心频率处信号无限衰减，其他频率处增益为1 ： 不影响输入信号的相位； 对外部干扰不敏感。 下面我们就来进行n o t c h 滤波器的设计，图2 一l d 为设计原理图。 m 册小 _ l ：一 ；。 i i j ： ： i ：j ! j l l 二二，二i 一- j 元= 乃石五= w 瓦 圈2 14 n ( ) t c 滤波器设计 文献“”“”给出数字n o t c h 滤波器的离散表达式为 西安理工大学硕士擘位论文 。= 器= 篙 ( 2 3 2 ) 式中，6 l = 一2 - c o s 无，口i = 2 r c o s 丸，口2 = 一r 2 ，屯为n o t c h 滤波器的中 心频率，0 i 蒿蹬二、j 王 帮n bi 一一r 、 船 户t 1 m c r ( ) s e t：夕s p l es e l e c t 店动状志 厂焉面i n ，i 一、一钾a 1 “ c h1 1 9 【 ，一”1 、 = u 。e _ ，l 一、= 一? l ? j j 删r 、s 0 “s k l r ln l z 。1 1 t h m # r d f u l 舢1 ) 3 # p w he n f l g 1 厂 f c 洲v ”) u d 哪 7 孟。：。二= 、 j 、叫 【) r i ) n t a iy m t a 2 ( 低二位有敬) 姆曰固 ij 3 、 圈3 ，2 荦周期处理时序示意图 联脂1 吼断一中一 西安理工大学硕士学位论文 图中，f l a g 0由d s p 发出的开关脉冲信号； f l a g l由d s p 发出的启动a d 转换器的信号； # r d 、# 慷读、写信号； # a d c sa d 转换器片选信号： # p w m e nd p w m 电路片选信号： d a t a l d s p 写出到数据线上的本周期占空比值； d a t a 2d s p 写出到a d 转换器的用来确定采样量的数据值，低三 位有效； v i n 卜3d s p 从a d 转换器读入的三个采样量v o u t 、v i n 、i l 。 下面来说明在一个开关周期内d s p 的系统运行时序。由于t i m e r l 的 设定计数值为常量，所以t i m e r l 的相关寄存器可以在系统初始化后就进 行设置。 首先通过设置f l a g 0 ，产生一个时钟脉冲，作为一个开关周期的开始， 前面提到采样延迟时间死是以丌关周期的开始时刻为起始点的，所以紧 接着就要根据式( 2 一1 3 ) 或式( 2 1 4 ) 刑t i m e r 0 进行设甓并开放其中断 ( 系统初始运行时，t i m e r 0 的计数值给一定值，该值只要符合使t i m e r 0 计数时问小于一个开关周期即可) ，然后判断上刷期采样的输出电压是否 在正常调节范围内。 输出电压在正常调节范围，d s p 进入正常工作状态。d s p 执行控 制算法。当t i m e r o 达到所设定计数值时，产生一个中断t i m e r o j r q ，d s p 就停止当前等待状态，去执行相应的中断服务子程序l 。当t i m e r oi r q 中断执行完返回后，d s p 进入下一个i d l e 等状态。在等待过程中，a d 转换器数据转换完毕，发出中断# i r q o ，d s p 收到这个中断后，停止当前 等状态，去执行中断服务子程序2 ，然后进入第三个i d l e 等待状态。当 定时器t i m e r l 达到从所设定计数值时，产生中断t i m e r l j r q ，d s p 结束 等待状态，执行中断服务子程序3 ，写出运算结果，然后返回。经过一段 延迟时间后，再次设置f l a g o ，又产生一个时钟脉冲，d s p 开始下一周期 基于d s p 的p f c 电路的设计与实现 的运行。这是系统在正常：【：作状态时的运行情况。 输出电压不在正常调节范围，d s p 进入软启动状态。这主要包括 两种情况：一种是刚刚开机输出电压为零；另种是在正常工作状态时， 由于系统参数的突然变化引起的输出电压不在正常调节范围。d s p 进入软 启动状态后，先执行软启动程序，然后再执行采样算法。此后系统跳入 i d l e 等待状态，进入与正常工作状态相同的运行过程。 为了便于理解，下面来简单分析一下连续三个周期的系统运行时序。 2 ( ”+ 1 ) 。 一 第。+ 2 千周期占空比d ( 、) 2 l 竺竺曼翌! l 一一i 到3 - 3连续三个周期时厅不恿陶 从时序图上看，第n 个周期采样数据i l ( n ) 、v o ( n ) 、v g ( n ) 虽然是在 本周期采样并被渎入d s p 中，但是它们在卜- 个开关周期( 第n + 1 个周期) 的控制算法中才参与运算，从而得到相应的占空比值d ( n ) 。子程序3 执 行的任务就是把这个数据d ( n ) 写出到数据线上。在第n + 2 个剧期到来时， 由d p w m 电路的同步时钟将占空比值d ( n ) 锁入电路，得到m o s f e t 驱动模 块的驱动信号。由此可见，第n + 2 个周期驱动信号的占空比值才是由第n 个周划采样数据计算出所得。因此，由于数据采样和数据处理引起了一 定的时间延迟，即从第r 1 个数据的采样到对应占空比d ( n ) 的输出之间存 在固有延迟时间毛。，其大小为 瓦。，= 2 瓦一 ( 3 一1 ) 式中，i开关周期，l ，采样算法延迟时间。 西安理工失学硕士学位论文 3 2 硬件电路系统设计 3 2 1 处理器电路2 0 1 m 1 本系统处理器芯片选用a d i 公司的a d s p 一2 1 0 6 5 l ，它是一款3 2 位定 浮点处理器，它具有如下主要特性： 超级哈佛组织结构，流水线指令结构； 5 4 4 kb i t 片内s r a m ； 6 6 m i p s 、1 9 8 m f l o p sp e a k 运算能力： d m a 控制器，1 0 个d m a 通道： 2 套外部口，8 套串行口； j t a g 测试仿真口； 具备高速、多功能的优点，是一种性价比较高的定浮点信号处理器。 由于a d s p 一2 1 0 6 5 l 的工作电压是+ 3 3 v ，而系统又是以d s p 为核处理电路 的，这就决定了整个系统是一个+ 3 3 v 工作电压系统，这也成为选择其它 器件的一个标准。 3 2 1 1 存储空间分配 a d s p - 2 1 0 6 5 l 的存储空间分成三部分： 内部存储空间：0 x o 0 0 0o o o o 一0 x o o o lf f f f 其中，i o p 寄存器： o x 0 0 0 00 0 0 0 0 x 0 0 0 00 0 f f 正常字存储： 0 x 0 0 0 08 0 0 0 o x 0 0 0 0f f f f 1 6 位短字存储：o x o o o l0 0 0 0 o x 0 0 0 lf f f f 多处理器存储空间：o x o 0 0 0o l o o o x 0 0 0 00 2 f f 外部存储空间： o x o 0 0 20 0 0 0 o x 0 3 f ff f f f 由于本系统属于3 2 位单处理器系统，所以对内存储空间的短字( 1 6 位) 的存储器映射和多处理器存储映射不加说明。下图为片内存储器映 射圈。 基于d s p 的p f c 电路的设计与实现 删烈可亘三墨 二：二 z 堕至匠燃篇0 0 。o0 0 f f 【一一：一l l 一一一一ju 0 0 00 0 i 。f 圈3 4j l 内存倘 ! ；空问 i o p 寄存器所对应的地址空间主要是用来存储一些涉及到存储器映 射的控制和数据寄存器的值。这部分是系统自动定义的地址空间。 在软件设计时，对于正常字存储空间系统必须进行合理、详细的分 配，对b l k o 的地址空间主要是分成了中断矢量存储区和程序存储区两部 分，具体如下： o x 0 0 0 0 8 0 0 0 o x 0 0 0 0 8 0 f f ：内、外部中断对应矢量的地址空问； 0 x o o 0 0 8 l o o o x o o 0 0 8 7 f f ：存放程序代码的存储空间，由于程序量 不大，所以分配的存储空间仅为1 8 0 0 个字，这部分定义为程序存储区， 4 8 位孚览； 0 x 0 0 0 0 9 0 0 1 、o x 0 0 0 0 9 f f f ：这部分主要是存储算法中的系数和常量 数据，包括参考电压值v r e f 、控制算法公式系数m 、n 、p 、q ； u 槽型滤 波算法系数a l 、a 2 、b 1 等