（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的高频开关电源pfc研究与设计.pdf

a bs t r a c t t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sw i d e l yu s e di ne l e c t r i cm a c h i n ea n de q u i p m e n tf o r i t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i co fs m a l l ，l i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , l o wh e a ta n dc o n s t a n t c a p a b i l i t y i nt h et r a d i t i o n a la c - d c c i r c u i t s ，t h er e c t i f i e rm a d eb yd i o d ec o n n e c t e d w i t hp o w e rn e t w o r k ，p r o d u c ep l e n t yo fc u r r e n td i s t o r t i o na n dc o n t a m i n a t et h en e t w o r k , t h ep o w e rf a c t o ri sl o w t oi n c r e a s et h ep o w e rf a c t o ro fa c - d ci n p u t ，t h em e t h o do f p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni su s e d t h i sp a p e ri m p l e m e n th i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l yp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nb yt m s 3 2 0 f 2 812 ，a n a l y s e st h ec o n t r o lm e t h o da n dr e a l i z a t i o no fp f c t h ee q u a t i o na b o u tt h ep e r - u n i tv a l u eo fp a r a m e t e ri nt h es o f t w a r ep r o g r a mi s d e d u c t e d i no r d e rt or e m a i nt h eo u t p u tp o w e ra tas p e c i f i e dl e v e lw h i c hd e t e r m i n e d b yl o a d ，t h ei n p u tv o l t a g ef e e d - f o r w a r di su s e d i nt h ev o l t a g ea n dc u r r e n tl o o p c o n t r o l l e r s ，o u t p u ts a t u r a t i o na n di n t e g r a lc o m p o n e n tc o r r e c t i o ni si m p l e m e n t e d t h i sp a p e rc o m p a r e st h es i m u l a t i o nr e s u l to fa c d cr e c t i f i e rc i r c u i ta n db o o s t p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o ni sa d d e d ，t h es i m u l a t e dw a v e f o r m sc l e a r l ys h o wt h e i m p r o v e m e n to fp o w e rf a c t o r i nt h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，l e ms e n s ea n dc o n d i t i o ni n p u ti n d u c t o rc u r r e n t ，i n p u t v o l t a g ea n dt h eo u t p u tv o l t a g e t h e s es i g n a l sa r ef e db a c kt ot h ed s pv i aa d c c h a n n e l s ；g e n e r a t ep w md u t y r a t i oc o m m a n df o rt h ep f cs w i t c hb yp r o g r a m c o m p u t e dt om a k et h ew a v e f o r m so fi n p u tc u r r e n ta n dv o l t a g ec o n s i s t e n t t h i sp a p e rr e a l i z et h es y s t e ms i m u l a t i o n ，i n d i c a t es i m u l a t i o nw a v e ，a n a l y s e st h e h a r d w a r ed e s i g nc i r c u i t sa n dc o m p l e t et h ep a r ts i m u l a t i o n ，d e p i c tp r o g r a mf l o wc h a r t s o fm a i np r o g r a ma n di n t e r r u p tp r o g r a me t c ，p o i n to u tt h ed i r e c t i o no ff u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s - s w i t c h i n g p o w e rs u p p l y , p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，d i g i t a lc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 靴做储獬：奄砰 签字日期： 2 7 年1月弓口r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字r 期： 爻j 。7 年 翩虢赏掾 签字剐期：劢刀年f月3pf 研日 冬 弘 衍八月 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 开关电源广泛应用于各种系统的直流电源。为了使开关电源轻小化，应采用 高开关频率；为了实现高速响应控制，通常采用模拟电路进行控制。然而，采用 模拟电路需要解决偏差等参数的初期调整和由于漂移造成控制性能下降等问题。 为了解决这些问题，近来提出了基于硬件逻辑电路控制的开关电源数字控制方法 f l 】 o 1 1 开关电源发展简介 1 1 1 开关电源发展背景 电源是利用电能变换技术将市电、蓄电池、太阳能、化学能、生物能等一次 电能转换成适合用电对象的二次电能的系统或装置。 传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压 电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、 输出纹波电压小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器 与体积和重量都大的滤波器，其电源效率只有4 5 左右。开关电源是做为线性 稳压电源的替代物出现的，它因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能 稳定的特点而广泛应用于电子整机与设备中。 开关电源是用半导体功率器件作为开关，并以某一频率开( 通) 、关( 断) 状态 进行电能变换，变换过程中采用自动控制闭环稳定输出量并具有保护环节的电能 装置。 目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外，开关电源已经全面取代 了线性稳压电源，尤其是中小功率直流电源几乎全都采用开关电源。 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关 电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术产 品的小型化轻便化。 高频化、小型化、模块化、数字化、信息化及绿色电源是开关电源的重要发 天津大学硕士学位论文第一章绪论 展方向。在电力电子技术的各种应用系统( 如逆变焊机、通信电源、高频加热电 源、激光器电源、电力操作电源等) 中，开关电源技术始终处于核心地位。对于大 型电解、电镀电源，传统的装置非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源，其体 积和重量都会大幅度下降，而且可提高电源效率、节省材料、降低成本。本文采 用的开关电源的开关频率为8 0 k h z 。 高频化是小型化和模块化的基础。理论分析和实践经验表明，电气产品的变 压器，电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。由于功率电子器件工 作频率上限的逐步提高，目前开关频率达到数兆赫的开关电源已有使用，在节能、 节约原材料方面带来显著的经济效益。 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。但是现在 数字信号、数字电路的优势变得越来越突出，数字信号处理技术日趋完善成熟， 显示出越来越强的生命力便于计算机处理、控制，能够避免模拟信号的畸变 失真，减小杂散信号的干扰( 提高抗干扰能力) ，便于软件调试和遥感、遥测、遥 调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以在2 0 世纪8 0 - - - 9 0 年代，对于各类 电路和系统的设计来说，模拟技术还是大有用武之地，诸如印制板的布图、电磁 兼容( e m c ) 以及功率因数校正( p f c ) 等问题的解决，都离不开模拟技术，但是对于 智能化的开关电源，再用计算机控制时，就离不开数字化技术了。 开关电源的技术发展方向有以下几方面： ( 1 ) 低待机耗损电源 经过调查发现，开关电源处于待机状态时，损耗主要是开关损耗、铁心损 耗、i c 的损耗、辅助电源的损耗等。削减待机损耗要从这几个方面入手。 开关损耗与电源的工作频率f 成正比，因此可以设法当电源输出功率变小 乃至于进入待机状态时，使电源的工作频率降低。 ( 2 ) 高次谐波的抑制 一般的开关电源都为电容输入型，这种输入电路的电流波形成脉冲状，在这 种脉冲状的电流里面，除了5 0 h z 基波分量外，还含有l o o h z 、1 5 0 h z 、2 0 0 h z 、 2 5 0 h z 等高次谐波，尤其是奇次谐波占有相当的比例。高次谐波电流在某种 意义上与汽车尾气、工厂污水一样也是一种环境污染。限制高次谐波电流 的国际标准是i e c l 0 0 0 3 2 。 ( 3 ) 谐振技术 为了使电源小型化，必须实现高频化。但是开关频率的提高使得开关损耗 增加，随之而来的是噪声的增大。减少开关损耗的途径是实现开关管软开 关，谐振电源利用l 、c 的谐振周期，当电流或电压经过正弦振荡下降到零 时，关闭或开启开关管。利用谐振技术，电源的效率得到了显著的提高， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 且大大降低了电磁干扰，工作频率可以达到几兆赫，体积可以做到很小。 ( 4 ) 实现低电压大电流 输出电压的降低，使得输出整流二极管的功耗在输入功率中所占的比重升 高，导致转换效率下降。如输出为3 3 v 4 0 a 的d c d c 变换器，假设输出 侧为两个正向压降为0 5 5 v 的整流二极管，则整流管的功耗就可达2 2 w 。 如果采用同步整流技术，用低导通电阻的场效应管代替整流二极管，若两 个场效应管的导通电阻为4 m q ，那么它的功率损耗就可以降低4 w - 6 w 。 若每只整流二极管处都采用两个场效应管并联来替代，则功耗可进一步降 低至2 w 3 w 。 1 1 2 工作原理与拓扑结构 图1 - 1 给出了开关电源的构成框图。交流输入电压经整流滤波电路平滑滤波 后，将得到的直流电压供给d c d c 变换器后输出。d c d c 变换器的控制电路由比 较电路、放大电路以及控制通断时间比例的脉冲宽度调制p w m 电路等构成。 交 图l 一1 开关电源构成框图 d c - d c 变换器是开关电源的核心，是主要的研究对象。它是一种控制开关通 断时间的比例、用电抗器与电容器蓄积能董的电路，还能对断续的波形进行平 滑处理1 。 d c d c 变换器按照电路拓扑可以分为两大类：不隔离的直流变换器和带隔离 的直流变换器。两者最基本的功能都是变压，至于隔离与否，则要看是用需求。 所以，基本变换器只完成变压的功能，带隔离变压的变换器除完成基本功能外还 有输入输出之间隔离的功能。 不隔离的直流变换器有4 种基本的拓扑：降压式( b u c k ) 变换器，升压式 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( b o o s t ) 变换器，( b u c k b o o s t ) 变换器和c u k 变换器等。变换器拓扑一般又可分 为输入部分、中间部分和输出部分。也有只含两部分的，如b u c k 、b o o s t 等变换 器拓扑只含有输入和输出两个部分，没有中间部分。表1 - 1 为几种基本变换器拓 扑结构的比较。 表1 - 1 变换器拓扑结构比较 电路特点 电压比公式开关管和二极管承应用领域 受的最高电压 降压型只能降压不能升压，输 u ：du s 一= u 各种降压型开 出与输入同相，输入电 一= 关稳压器 流脉动大，输出电流脉 动小，结构简单 升压型 只能升压不能降压，输丝：上一= u o升压型开关稳 出与输入同相，输入电 u i 1 d 一= u o压器、升压型功 流脉动小，输出电流脉率因数校正电 动大，不能空载工作，路 结构简单 升降压型能降压能升压，输出与 uod 一= u + u o 反相型开关稳 输入反相，输入输出电 1 一d 一= + u o压器 流脉动大，不能空载工 作，结构简单 c u k 能降压能升压，输出与丝：一旦 觚= u c l 对输入输出纹 输入反相，输入输出电 1 一d u v o = u c l 波要求高的反 流电流脉动小，不能空相型开关稳压 载工作，结构复杂器 s e p i c能降压能升压，输出与 u o du s 。= l + u o 升降压型功率 输入同相，输入电流脉 u i 1 d 一= l + u o因数校正电路 动小，输出电流脉动大， 不能空载工作，结构复 杂 z e t a 能降雎能升压，输出与丝：j lu s 一= l + 对输出纹波要 输入同相，输入电流脉 u i 1 d u m = u c l + 求高的升降压 动大，输出电流脉动小，型开关稳压器 不能空载工作，结构复 杂 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 有隔离的直流变换器包括单管的正激式( f o r w a r d ) 和反激式( f l y b a c k ) ，有 多管的推挽( p u s h - p u l lc o n n o r t e r ) 、半桥( h a l f - b r i d g e ) 、全桥( f u l l b r i d g e ) 等多 种型式直流变换器抽，。 从原理上说，任何一种d c d c 变换器拓扑都可用作p f c 的主电路。但是由 于b o o s t 变换器的特殊优点，应用于p f c 更为广泛n 3 。 b o o s t 有源功率校正器的主要优点有： ( 1 ) 输入电流连续，e m i 小，r f i 低： ( 2 ) 有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频 瞬态冲击。 ( 3 ) 输出电压大于输入电压峰值，对市电电压为1 0 0 v ( a c ) 的国家和地区特 别合适。例如，输入9 0 1 3 2 v 交流，输出直流电压约为2 0 0 v ；若输入 为9 5 - 2 4 0 v 交流，直流输出将为4 0 0 v 。 ( 4 ) 开关器件的电压不超过输出电压值。 ( 5 ) 容易驱动功率开关，其参考端点( 源极) 的电位为0 v 。 ( 6 ) 可在国际标准规定的输入电压和频率广泛变化范围内保持正常工作。 主要缺点有： 输入、输出间没有绝缘隔离，在开关、二极管和输出电容形成的形成的回路 中若有杂散电感，则在2 5 - 1 0 0 k h z 的p w m 频率下，容易产生危险的过电压， 对开关的安全运行不利。 1 2 有源功率因数校正 根据电工学的理论，功率因数( 脚定义为有功功率( 力与视在功率( 5 ) 的比 值，用公式表示为 阿：一p：坞警：华-ycos办su l i r i r ” 式中：为输入电流基波有效值；，。为电网电流有效值，。= ，1 2 + i ；+ ，：， 其中，厶，l 为输入电流各次谐波有效值；u 为输入电压基波有效值；y 为输入电流的波形畸变因数；c o s d t 为基波电压和基波电流的位移因数。 在含有a c d c 变换器的电力电子装置中，d c d c 变换器或d c a c 变换器 的供电电源采用二极管不控整流器，由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为 平滑的直流电压。整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得输入电流成 为一个时间短、峰值很高的周期性尖峰电流。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 因为这样的尖峰输入电流，含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同 时在a c d c 整流电路的输入端必须增加滤波器，既贵，体积、重量又大、笨重。 大量谐波电流( 称为h a r m o n i ce m i s s i o n ) 分量倒流入电网，造成对电网的谐 波“污染”。一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降， 反过来使电网电压( 原来是正弦波) 也发生畸变；另一方面，会造成电路故障，使 变电设备损坏。例如线路和配电变压器过热；谐波电流会引起电网l c 谐振，或 高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸；在三相电路中，中 线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏等等。 对a c d c 变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污 染”，以保证电网质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数， 以达到节能得效果；必须限制a c d c 电路的输入端谐波电流分量。现在，相应 的国际标准已经颁布或实施，如i e c 5 5 5 2 ，e n 6 0 5 5 5 - 2 等。一般规定各次谐波 不得大于某极限值。表卜2 给出一个例子说明有的标准所规定的谐波电流限制。 表1 - 2a c d c 变流电路对输入端谐波电流的限制举例 i谐波分量二次三次五次七次 l ( 以基波为基数) 23 01 07 提高a c d c 电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法有： ( 1 ) 无源滤波器 这一方案是在整流电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流 侧接入谐振滤波器。其主要优点是：简单、成本低、可靠性高、e m i 小。 主要缺点：尺寸、重量大、难以得到高功率因数( 一般可提高到0 9 左 右) ，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大 的充放电电流等。 ( 2 ) 有源滤波器( 或称有源功率因数校正器) 在整流器和负载之间接入一个d c d c 开关变换器，应用电流反馈技术，使输 入端电流，波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使，；接近正弦。从而使输 入端t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r s i o n ，总谐波失真) 小于5 ，而功率因数 可提高到0 9 9 或更高。由于这个方案中，应用了有源器件，故称为有源功 率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ，简称a p f c 。 有源功率因数校正的主要优点是：可得到较高的功率因数，如0 9 7 - - 一0 9 9 ， 甚至接近l ；t h d 小；可在较宽的输入电压范围( 如9 0 2 6 4 v a c ) 和宽频带下 工作；体积、重量小；输出电压也可保持恒定。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 主要缺点是：电路复杂；m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ，平均无故障时 间) 下降；成本高；e m i 高；效率会有所降低。 现在a p f c 技术已广泛应用于a c d c 开关电源，交流不间断电源( u p s ) ，荧 光灯电子镇流器及其它电子仪器中。 1 3 开关电源的控制方式 开关电源采用占空比控制方式，可以根据调制方式的不同来分类。按开关频 率是否固定，可以分为固定频率的p w m 控制方式和非固定频率的p w m 控制方 式两大类。大多数开关电源采用固定频率的p w m 控制方式。在这种控制方式中， 调制波相邻的脉冲前沿或后沿的时间间隔严格相等，脉冲宽度的变化使得调制波 的占空比发生变化；在非固定频率的p w m 控制方式中，比较长见的是脉冲宽度 不变，脉冲频率的变化导致占空比变化，这种调制方式成为脉冲频率调制( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n - - - - - p f m ) 。 开关电源中的p w m 控制方式，总的来说可以分为电压模式控制和电流模式 控制，输出电压反馈和电压调节器都是存在的，所不同的是电压模式控制仅有一 个电压控制环，而电流模式控制中还存在电流内环。图卜2 为电压模式控制框图， 其中a v r 为电压调节器，图卜3 为电流模式控制框图，其中a c r 为电流调节器。 七融 a v rl _p w m 开关 l 知鲁妇七 。 7 ky l ”i j 甜， 图1 - 2 电压模式控制框图 图l 一3 电流模式控制框图 与电压模式相比，电流模式控制方式有以下几个优点： ( 1 ) 系统的稳定性增强，稳定域扩大。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 系统动态特性改善，这一点主要体现在对输入电压扰动的抗扰能力的提高。 电源的输入电压中通常包含交流输入电压整流后的纹波，采用单独的电压控 制时，由于电压环的响应速度慢，低频的纹波很难消除，致使输出电压中包 含输入电压的低频纹波成分。而采用电流模式控制后，输出电压中由输入电 压引入的低频纹波被完全消除。 ( 3 ) 具有快速限制电流的能力。由于有了电流模式控制，可以很容易对电路中的 电流快速地进行限幅，从而有效地降低了开关器件、变压器、电感等元器件 受到的电流冲击，这对很容易因过电流而损坏的高频开关器件十分有益。 常用的控制a c - - d c 开关变换器实现a p f c 的方法基本上有三种，即电流峰 值控制，电流滞环控制，以及平均电流控制。 ( 1 ) 电流峰值控制 这种电流峰值模式的优点是结构简单，响应速度快，但它有一个明显的缺 点：因为电感电流的峰值同它的平均值间的比例与电路占空比有关，所以 给定值相同的条件下，当占空比不同时，电感l 的电流或电路的输出电流不 同，这样峰值电流模式控制方法就不能等同于需要精确控制电感电流或是输 出电流的电路。( 如p f c 电路) 此外，由于实际电路中的开关电流瓦往往带有 噪声，容易引起比较器误动作，因此峰值电流模式控制电路容易受到干扰， 造成工作不稳定。 ( 2 ) 电流滞环控制 该方案的主要缺点是：负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化幅 度大，设计输出滤波器时，要按最低开关频率考虑。因此，不可能得到体积 和重量最小的设计。 ( 3 ) 平均电流模式控制 平均电流模式控制方法可以精确控制电感电流平均值，对于降压型电路，意 味着可以控制输出电流；对于升压型电路，意味着可以控制输入电流，因此 平均电流模式控制方法广泛用于充电电源和升压型功率因数校正电路。 1 4 数字控制及其特点 信号的处理过程就是对信号的过滤和重构，以得到我们需要的特征，为实现 这一目的实际上就要构造信号到信号之间的传递函数，其实现方法有两种：模拟 方式和数字方式。模拟方式使用电阻、电容、运算放大器的模拟器来实现滤波、 和、乘和控制的功能，而数字的方式是先将模拟量数字化，再进行数字处理，然 后还原成模拟信号。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 传统的电路控制采用的是模拟控制系统，经过多年的研究，模拟控制技术已 经非常成熟。然而，模拟控制系统有着固有的缺点：如需要大量的分立元件和电 路板，器件数量多，制造成本高等。模拟元器件的元器件老化问题和不可补偿的 温漂问题，以及易受环境( 如电磁噪声，工作环境温度等) 干扰等因素都会影响控 制系统的长期稳定性。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，能方便的实现一些电路 的控制，但其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电阻电容等模拟器件。 这些元器件的误差会直接影响控制环路的性能，而且元器件老化等模拟控制的缺 点依然存在。此外，由于模拟控制系统的功耗比较大，大规模集成比较困难，专 用模拟控制芯片的集成度一般很难做高。由于采用的是模拟控制方法，因此专用 芯片的控制不够灵活，要实现复杂、先进的控制算法很困难。 对于每一个采用模拟控制的电路装置，其控制系统都需要专门的设计。每一 次产品的更新换代，都需要重新设计、制造它们的控制系统。而且目前的模拟控 制手段已经大大落后于控制理论的发展。目前大多数的模拟控制回路，仍采用传 统的p i d 调节，而很少采用现代控制理论提供的方案和算法。对于模拟控制系统 来说，监控性能也非常的差，只能通过模拟的测量以及光、声信号来显示、报警。 因此，随着电力电子技术及其控制技术的不断发展，模拟控制的局限性已经越来 越明显。 为了改善电路系统的控制性能，微处理器在电力电子中开始进行应用。通过 a y d ( 模拟数字) 转换器将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算 法，然后通过u o ( 输入输出) 口或p w m ( 脉宽调制) 口发出开关控制信号。微处 理器还能将采集的功率变换装置工作数据，显示或传送至计算机保存。一些控制 中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微 处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器的运算速度 的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放大 器等模拟控制元件。 d s p 处理器具有和微控制器一样的优点，同时具有更快的速度，有能力实现 高密度计算控制算法，这样可以降低系统的成本。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) - - - 数字信号处理，日渐成为一项成熟的技术， 并在多项应用领域逐渐替代了传统模拟信号处理系统。与模拟信号处理系统相 比，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速 度快、性能稳定和易于升级等优点。 数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进 行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 目的。数字信号处理的实现是以数字信号处理理论和电子计算机计数为基础的， 在其发展历程中，有两个事件加速了d s p 技术的发展。其一是c o o l e y 和t u c k e y 对离散傅立叶变换的有效算法的解密，另一个就是可编程数字信号处理器在2 0 世纪6 0 年代的引入。这种采用哈佛结构的处理器能够在一个周期内完成乘法累 加运算，与采用冯诺依曼结构的处理器相比有了本质的改进，为复杂数字信号 处理算法和控制算法的实现提供了良好的实现平台。 在实际应用中，所有的信号都是模拟信号，为实现数字信号处理，用户必须 将模拟信号转换成数字信号。 以微处理器或数字信号处理器作为基础设计的数字控制系统是未来的发展 趋势。其主要特点是n 】： ( 1 ) 较低的硬件成本 采用微处理器或d s p 的主要优点就是能够以软件程序取代复杂的硬件电路。 由于大规模集成电路发展迅速，再加上廉价的芯片、高处理能力的c p u 以及 大容量的存储器，它们能以非常快的速度实现较复杂的控制算法，因此实现 控制功能的硬件价格相对较低。 ( 2 ) 更高的可靠性 复杂的控制系统应用于工业自动化，如c n c 或机器人，应用于国防工业如导 弹与导航等，均需要可靠性。采用高度集成的微控制器或d s p 使系统的可靠 性有了极大的提高。 ( 3 ) 电磁干扰( e m i - - e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 问题较少 大规模集成的高密度电路，降低了在电力电子系统中高电压与高电流变化对 电路所形成的影响，控制芯片的屏蔽( s h i e l d i n g ) 较为简单，由电力线( p o w e r l i n e ) 或信号线所产生的噪声也容易滤掉。 ( 4 ) 不会有漂移与参数变化 在模拟电路设计中遇到的一些问题，如温度或环境变化而引起的漂移现象， 这种现象也会因为组件老化而发生，但在数字电路中则可消除这些问题。以 微处理器或d s p 软件实现的数值计算不仅不会有参数变化，计算也百分之百 正确，而且截断( t r u n c a t i o n ) 和溢出( o v e r f l o w ) 等问题也可以采用适当的调 整比例( s c a l i n g ) 范围来解决。 ( 5 ) 通用的软硬件平台 采用微处理器或d s p 实现数字控制系统，可是系列产品具有相同或类似的硬 件结构，不仅易于维修，也简化了生产制造的过程，同时对软件设计而言， 也因为有了共同的硬件标准而较易规划与设计。以变频器为例，针对不同的 应用需求可加入不同的软件功能模块，这些规划在复杂的控制系统设计上非 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 常重要。 ( 6 ) 自动纠错能力 采用微电脑控制，可用软件进行系统硬件的自动纠错，不仅能确保系统正常 工作，还由于具有自动纠错能力而简化了维修。例如，在变频器设计中，可 以检测系统是否接线正确、功率级是否有短路现象等。 ( 7 ) 计算能力的限制 虽然由于微电子技术的快速进展，微处理器与d s p 的执行速度己大幅提高， 但在执行速度上仍无法与特定模拟电路所完成的硬件控制相比。由于特定硬 件在信号处理上是以并行方式处理的，而在微处理器或d s p 为基础的数字控 制是以串行方式执行软件，如果微处理器有多个工作要做，则需要将各个任 务划分时间段进行处理，因而造成了采用延迟，导致信号无法连续处理。无 法获取采样之间的信号，这使得系统的带宽也就受到了限制，这个限制虽然 可由多个处理器并行处理，但本身采样效应所造成的限制是无法去除的。 ( 8 ) 量化误差 物理系统的信号是模拟的，因此以微控制器或d s p 为基础的数字控制系统就 必须采用a d 与d a 转换器才能与外届的模拟信号沟通。由于这些模拟数 字转换器均有分辨率上的限制，通常为8 位或1 2 位，因此，在采样上也就 造成了量化误差( q u a n t i z a t i o ne 1 t o r ) 。 ( 9 ) 软件信号不易测量 采用微处理器或d s p 进行数字控制，将以软件程序实现控制算法，因此其内 部变量与控制器的参数均不易观测与调整，而不象模拟控制系统可以使用示 波器观测任何一点的信号。虽然控制器参数可以由程序修改，但在控制系统 测试时，往往需要尝试性地调整参数，这些均需要额外的软、硬件设计。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 集微控制器和高性能d s p 的特点于一身，具有强大的 控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。 f 2 8 1 2 内核主要包括中央处理单元( c p u ) 、测试单元和存储器及外设的接口 单元三个部分。c p u 单元完成数据程序存储器的访问地址的产生、译码和执行 指令、算数、逻辑和移位操作、控制c p u 寄存器以及数据程序存储器之间的数 据传输等操作。测试逻辑单元主要用来监测、控制d s p 的各个部分及其运行状态， 以方便调试。而接口信号单元完全是存储器、外设、时钟、c p u 以及调试单元之 间的信号传输通道u2 i 。 f 2 8 1 2 数字信号处理器还集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，其内 核需要通过某种方式来读写外设。为此，处理器将所有的外设都映射到了数据 存储器空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入 天津大学硕士学位论文第一章绪论 寄存器、输出寄存器和状态寄存器。每个外设只要通过简单的访问存储器中的寄 存器就可以使用该设备n 4 1 。 外设通过外设总线( p b u s ) 连接到c p u 的内部存储器接口上。所有的外设包 括看门狗和c p u 时钟在内，在使用之前必须配置相应的控制寄存器1 5 1 。 1 5 本文的研究内容 本文的第一章叙述了开关电源的发展背景，针对谐波的问题提出了功率因数 校正的方法，介绍了开关电源的控制方式，相对于以前的模拟控制，简要阐述了 数字控制的特点。给出了数字控制的开关电源功率因数校正的详细设计说明，并 设计采用d s p 芯片实现该功能。 本文第二章阐述了开关电源功率因数校正的平均电流模式控制原理，进行了 理论方面的分析。其主要内容包括：1 数字控制的采用；2 p f c 与d s p 的硬件连 接，给出了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制的功率因数校正电路；3 p f c 的数字控制，给出 了具体的分析，主要包括电压和电流环的检测增益和输入电压前馈的软件实现。 本文第三章阐述了系统仿真分析，主要内容包括：1 主功率电路元件参数设 计与选择，给出了电感、电容等元件的计算与选择；2 系统仿真实现，给出了 系统仿真框图和结果。 第四章中阐述了系统软硬件设计。主要内容包括：1 系统硬件电路设计， 包括驱动电路，采样电路，保护电路，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的接口电路，说明了 d s p 芯片在本系统中的应用，给出了具体的硬件分配；还包括中断保护电路和辅 助电源电路等；2 系统软件设计及程序流程图；3 提高系统抗干扰能力的措施， 给出了下一步的研究方向。 天津大学硕士学位论文第二章开关电源功率因数校正理论分析 第二章开关电源功率因数校正方法分析 在含有a c d c 变换器的电力电子装置中，d c d c 变换器或d c a c 变换器的供 电电源采用二极管不控整流器，由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为平滑 的直流电压。整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得输入电流成为一 个时间短、峰值很高的周期性尖峰电流，如图2 一l 所示。 由于整流器后接了一个大滤波电容，使得整流器的负载呈现电压源特性，整 流二极管只有在输入交流电压大于输出电压时才导通。在一个市电周期内，电网 只在整流二极管导通的短时间内对负载提供能量，使得输入电流具有很高的峰 值。 一，。 一l jl i ，一 一 ljl 2 1 数字控制的采用 怂砂， 图2 1 a c - d c 整流电路 数字信号处理器( d s p ) 由于可以实现闭环控制而广泛用于电机控制，不 间断电源( u p s ) 。 低成本，高性能的d s p 控制器具有高的c p u 带宽和集成的电力电子外围：模 数( a d ) 转换器，内置的脉冲宽度调制( p w m ) 和异步的功率级保护，基于实 时功率保护和控制策略，电源设计者已经开始考虑d s p 作为一个合适的选择。 与传统的模拟控制相比，d s p 具有独特的优点： 多平台的标准控制硬件设计 不易受时间和环境变化的影响 更好地抗干扰特性 天津大学硕士学位论文第二章开关电源功率因数校正理论分析 容易实现复杂的控制算法 可以灵活的改变设计以适合客户需要 单个芯片可以实现控制和通讯功能 图2 2 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制的功率因数校正电路 d s p 在电源中的应用给许多模拟设计者带来了新的挑战，可以改变现在的模 拟设计为新的数字设计。 对于由d s p 控制的电源，在设计和实现数字环的过程中，应该考虑许多相关 因素。在设计中，把模拟硬件改变为相应的数字软件，模拟控制方块的重新定义 和数字域的相关参数是很重要的。本文讨论了d s p 基于平均电流模式控制的功率 因数校正级的输入电压前馈控制。在模拟电路中的不同的控制环参数在数字控制 实现中应重新定义；将详细讨论模拟前馈电路的更改和在软件中的实现。对于3 2 位定点芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，解释定标和归一化实现普遍的输入运行范围。控制环 在s 域中进行分析，获得了电流环和电压环的补偿。同时给出了补偿的离散化和 实现在软件中实现的方法。 天津大学硕士学位论文第二章开关电源功率因数校正理论分析 2 2 功率因数校正的d s p 实现 图2 2 是一个基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制的功率因数校正电路拓扑。这是一个 d c d cb o o s t 变换器拓扑，它可以把交流输入电压转换为高直流电压，并且可以 实现高的功率因数。如上图所示，为了实现控制策略，系统检测以下三个量： 输入整流电压：。； 输入电感电流：t 。； 输出电容电压：。 变换器由两个反馈环控制，输出平均直流电压通过外环调节，外环速度较慢， 内环速度较快，由内环得到输入电流。 瞬时信号l ，和u o 分别自主电路上得到检测，并经过信号调理电路送至 d s p 的三路a d 采样通道：a d c i n a 0 、a d c i n a l 、a d c i n a 2 。这些信号通过 a d c 检测和转换的频率叫做控制环的采样频率疋。数字化采样得到的电压眈与 输出参考电压信号相比较，得到信号差( 一眈) 送入电压外环的p i 调节 器。调节器g 。的数字化输出( 图中所示为b ) ，与另外两路信号么和c 相乘，生成电流内环所需要的参考电流值l ，。在图中，a 表示瞬时信号。的 数字采样值。c 的值由下式得到： c ：l 奉 ( 2 1 ) 其中，是由计算得出的输入电压的平均值。由图看出，的波形与 整流电压波形相同，幅值则取决于调节器吒的输出。将- 与, n 的差值送入电 流调节器g 乙。该调节器的输出最后用来产生p f c 开关所需要的p w m 占空比。 2 3p f c 数字控制设计 图2 3 是图2 2 基于d s p 控制的p f c 变换器的控制回路框图。在该图中， 电压和电流的检测以及信号调理电路分别有对应的增益模块k ，k ，和髟来表 示。乘法器增益k 。也被加到控制环中。通过以参数的设置，使得当输入电压在 宽范围内调节时，电路也能稳定工作。 控制电路的内环为电流环，由参考电流信号，控制。电流内环的输入为占 空比d ，输出为电感电流。电流内环p i 调节器瓯的输出叱使得电感电流信 号必须跟随输入参考电流信号l 。 控制电路的外环为电压环，由参考电压信号u 卅控制。电压外环的输入为u 。， 天津大学硕士学位论文第二章开关电源功率因数校正理论分析 ( 电压外环p i 调节器的输出) ，输出为直流母线电压眈。电压外环p i 调节器g 。 的输出确定参考电流信号的幅值。这样，当负载和输入电压一定时，输出电压可 以保持在参考输出电压水平上。对于实现该控制，计算电压和电流调节器是十分 。重要的，所以采用定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来实现。 图2 3 基于平均电流模式的d s p 控制方案 2 3 1 电压和电流环的检测增益 如图2 - 2 所示，瞬时整流输入电压v 。和功率因数校正后整流输入电流乇有 如下两式决定： u m = s i n 2 r o t ，0 u 。u i 魄= l m s i n 2 m t ，0 i m 墨m 强 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，和乙分别代表输入峰值电压和输入峰值电流l 的最大值。 由于p f c 电路是基于d s p 实现的，所以要求其必需的信号都由特定的信号 调理电路限制在3 3 v 以内，再送入d s p 片内的a d 转换器。用户的片内程序通 过结果寄存器读取这些数字化的采样信号值，然后再以一定的定点形式把这些数 据存储在缓冲寄存器当中。 天津大学硕士学位论文第二章开关电源功率因数校正理论分析 本文中采用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，该芯片为定点d s p 芯片，采用定点数进 行数值运算，其操作数使用整型数来表示。当数学运算中出现小数时，可以通过 确定小数点处于3 2 位中的某一位来表示，即数的定标。对于3 2 位字长的芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，使用q 3 1 的定标方案( 即用0 7 f f f f f f f h 表示肛l 之间的一个绝 对值) 。这就说明在q 3 l 的方案下，采样的电流与电压信号都自动表示成一个和 其最大值相比较的标么值。 因此，图2 2 中的输入电压前馈电路如下所示： 么= 巧j 彳l 一= u k i j l = u 一巧 ( 2 3 ) 这里，u 。代表输入整流电压所能达到的最大绝对值。因此，输入电压 检测增益定义如下： k f = 1 u 一 同理，输入电流检测增益定义为： k = 1 i 一 其中，乙是输入峰值电流所能达到的最大值。 输出电压检测增益定义如下： 髟= 1 u o 一 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，一是输出电压的最大绝