UPS PFC控制ppt课件.ppt

UPSPFC控制 1 主要内容 PFC简介COMBO10kUPSPFC硬件及软件实现 2 PFC的目的就是采用一定的控制方法 使电源的输入电流跟踪输入电压 功率因数接近为1 PFC有两种 一种是无源PFC 也称被动式PFC 一种是有源PFC 也称主动式PFC 无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数 但无源PFC的功率因数不是很高 只能达到0 7 0 8 有源PFC由电感电容及电子元器件组成 体积小 可以达到很高的功率因数 但成本要比无源PFC高一些 PFC介绍 3 在PFC的拓扑应用中 主要有两种基本拓扑常应用于PFC 以下列出了包括BUCK在内的三种拓扑 a b c 图1 a BUCK电路 b 反激电路 c BOOST电路 4 各种拓扑应用于PFC时的优缺点比较 5 6 PFC实现核心 通过调节电流信号的平均幅度来控制输出电压 整流线电压和电压误差放大器的输出相乘 建立了电流参考信号 这样 这个电流参考信号就具有输入电压的波形 同时 也具有输出电压的平均幅值 目前PFC常用控制方法 模拟控制 方法简单直接 但是 控制电路的元器件比较多 电路适应性差 容易受到噪声的干扰 而且调试麻烦 数字控制 有限的带宽和采样频率 离散效果和处理延迟会严重影响控制的效果 PFC控制方法 7 Combo10kPFC架构 在市电的正负半周 分别由上下桥臂开关器件 电感和二极管组合实现对正负BUS的升压 可等效于两个BOOST型的升压电路 图 2 8 单boost电路如下 为避免电感磁芯饱和 在一个开关周期中 L1必须遵循伏秒平衡 以图中流向为正方向 在S1开通时 在S1关断时 假定 S1占空比为d 则 即 1 1 图 3 9 由于功率管的开关频率远远高于市电频率 因此我们认为状态的转换是在瞬间完成的 于是可利用状态空间平均技术 在一个开关周期Ts内 对PFC模型进行等效处理 1 2 图 4 10 根据基尔诃夫电压定理和电流定理 我们可以得到如下的基本电压电流方程 以电感电流 BUS电压作为状态变量其状态方程如下 1 3 1 4 11 要进行线性控制就需要在电路的工作点附近对系统进行线性化处理 对应的物理意义就是对上式各分量施加扰动 我们对扰动量进行控制 其中 为各信号量在一个周期内的平均值 为市电电压有效值 为各信号对应的扰动分量 1 5 12 对于系统状态方程 1 3 有 定义 时的状态为平衡态 即为系统的稳态工作点 对于连续的状态方程f 可使用泰勒技术进行线性化 1 6 13 根据式 1 5 可将系统状态方程线性化为 1 7 在这里我们假设输入电压 得到传函如下 1 8 其中 14 双闭环控制系统的设计 在UPSPFC控制中双闭环控制系统主要是指电压外环和电流内环 通过内环对电流的控制 能够加快电压的响应速度 并且能够在电流过大的时候及时的进行保护和限流 目前公司PFC所使用的控制器结构 都是经过模拟控制器演变而来 其传递函数如下 1 9 15 多环控制系统设计的基本原则如下 先设计内环 再设计外环外环调节器的输出为内环的给定内环要快于外环 其设计在稳定性的基础上 尽可能的满足快速性的要求 外环主要满足抗干扰性 16 COMBO10KUPSPFC控制框图 图 5 17 电流环的设计 下面给定我们的电路模型参数 我们可计算等效电阻为 根据式 1 7 可得到 1 10 18 其开环幅频特性和相频特性如下图所示 图 6 19 从图 6 中可以看出 对象的截止频率为 另外我们也可以看出 当 时 对象与积分环节特性非常相似 根据PFC的设计文献 一般将PFC电流环的截止频率设计在1 5KHz 9424rad s 附近 一方面为了满足快速性的要求 另一方面滤除电感电流的高频分量 使电感电流的THD减小 20 在实际搭建的PFC电路中 电感电流到AD采样值的比率为60 6 因此从10K程序中我们可得到电流环的控制框图如下图所示 在10KPFC程序中查到CurrentFeedback 5CurrentForward 160 图 7 21 从图 7 中可以看出来 电流环调节对象的开环传递函数 图 8 22 从图 8 中可以看出来 系统开环截止频率1 03e4rad s 此时相位延迟为 90度 如果在控制器中加一个积分环节 90度 系统就变得不稳定了 为了对相位进行补偿 我们必须增加零点或微分环节 对于程序中使用的控制器 1 9 我们先设计零极点 再设计比例系数 选择电流环的截止频率为1 5KHz 9000rad s 左右 电流环控制器的设计 23 从图 8 中可以看出 开环系统在1 5KHz时的相角为为了使控制能达到较好的性能 我们设计相角裕量为45度 因此加入调节器后 其相角为 因此 其中为零极点相对相角的补偿量 为了使系统以 1斜率穿过零分贝线 则必须使零点小于截止频率 极点大于截止频率 24 选零点为5000rad s 极点为32200rad s 可以算出在1 7kHz时 零点超前64度 极点滞后17度 另外我们选择K 33000 使系统截止频率在1 7K附近 则电流环控制器为 1 11 图 9 25 电压环的设计 根据P18给定的系统参数 依照式 1 8 可算出电感电流到输出电压的传递函数 如下 1 12 其bode图如图 10 中红线所示 从图中可以看出 正实零点对开环系统的幅频特性的影响与负实零点相同 另一方面 由于我们设计电压环的时候 一般都将电压调节器的截止频率设定为25Hz以下 我们可以看出 由于电压环的截止频率很低 因此我们可忽略正实零点对系统性能的影响 26 从图中可以看到 正零点对系统的相位有延迟作用 当频率小于1000rad s时 其滞后作用可以忽略 可等效为惯性环节 1 13 图 10 27 由于电流环的截止频率相对电压环很高 因此对于电压环来说 电流环等效为一个跟随器 在实际搭建的PFC电路中 BUS电压到AD采样值的比率为8 332 因此从combo10K程序中我们可得到电流环的控制框图如下图所示 在COMBO10KPFC程序中查到CurrentFeedback 15CurrentForward 10 图 11 28 电压环开环传递函数为 其开环传递函数为 从图中可知在未加入调节器前 系统截止频率为77 8Rad s 12 3Hz 此时系统的相角为 图 12 29 采用控制器结构如式 1 9 所示 由前面的分析可知 在未加入控制器前 系统的开环传递函数的截止频率为77 8rad s 相角为 80度 我们假设将电压环的截止频率选为22Hz 取相角稳定裕量为45度 电压环控制器的设计 则 选择零点在50rad s 极点在240rad s 系统在138rad s时的相角为 135度 另外选择比例系数K 500 则调节器的传递函数为 1 14 30 电压环闭环系统bode图如下图所以 系统截止频率为141rad s 相角裕量为45度 图 13 31 下图为10k市电模式下PFC控制框图 10K软体实现 图 14 32 在PFC控制中 一方面要求电流的正弦度要好 另一方面 电流要可靠地跟踪输入电压 在COMBO10K程序中引入PFC的整流电压和BUS电压作为前馈量 可用如下形式来表示 1 15 由于前馈基本上不受系统延迟的影响 所以其调节更为迅速 特别地 当市电电压过零附近 前馈分量接近1 这时即使反馈分量很小 控制器也会输出较大duty 保证了系统调节的快速性 33 PFC中断主要用于相关信号量的采样 计算及实现PFC控制算法 其软体流程图如下 图 15 34 PFC控制器框图 图 16 35 图 17 36 在图 17 中 电流控制器和电压控制器分别为式 1 11 和 1 14 所示结构 但是程序控制中需要将S域的形式变成Z域 因此我们在编写程序前需要先将控制器离散化 在10k程序中 电流环控制器采用采用双线性变换进行离散 电压环控制器采用零阶保持器进行离散 可使用MATLAB 在10k程序中 电流环采样时间为 52us电压环采样时间为 52 16 832us 37 采样延迟问题 数字式控制器会由于采样和计算的原因带来延迟 在一般的数字控制应用中 都假设采样频率是系统截止频率的20 30倍 这样延迟带来的影响就可以不考虑 但是对于电流环控制器来说 这一假设并不成立 必须对采样带来的延迟加以补偿 电流环控制器的结构可表示为下图形式 这里在电流信号Iac中添加了一个采样保持器 控制器是离散形式 图 18 38 电流采样和PWM时序 在第一个周期中 A D转换启动后 将输入电流信号转为数字量并进行计算 当到达 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 点PFC模块完成了电流控制器输出的计算并装入寄存器中 在 点新的控制器输出产生作用 因此从采样到控制信号起作用中间存在一拍延迟 图中曲线 表示的是DSP内部产生PWM所使用的比较信号 是电流环控制器的输出 是输出的PWM信号 点 是DSP中PFC模块的采样点 是第一个周期中PWM信号的翻转点 是新的电流环输出的更新点 是第二个周期中PWM信号的翻转点 图 19 39 控制回路中延迟的作用是产生相位迟后 如果控制器没有足够的相位裕度 相位滞后会导致不稳定的结果 对于电流环控制器来说 其截止频率距离开关频率越近 相位滞后的作用就更加明显 但是为了减小电流环的跟踪误差 就必须提高截止频率 保证稳定性和保证跟踪性能的要求是矛盾的 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 40 在文档P20中提到 当电流环截止频率足够大时 对电流环来说 虑将受控对象模型近似表示为一个积分环节 对模型加零阶保持器进行离散化则有 假设Boost电路输入电流采样为ik 电流控制器的输出为uk 那么由上面的离散模型有 下一个采样点时输入电流值估计值可以表示为 1 16 41 问题在于 G s 中的K值并非一个常数 而是一个随时间和负载进行变化的量 如果要进行精确补偿的话 就需要使用在线辨识方法进行模