张迁，李乔，蔡丽娟
(华南理工大学电力学院，广东 广州510640）
摘 要： 高 频 开 关 动 作 产 生 的 振 荡 对 数 字 采 样 有 一 定 的 影 响 ， 以 Boost型 PFC电 路 为 例 ， 分 析 了 受 影 响 区 间 ， 进 而 提 出 线 性 外 推 的 改 进 算 法 。 最 后 把 此 算 法 运 用 到 一 个 实 验 模 型 中 ， 实 验 结 果 证 明 了 该 算 法 的 有 效 性 。
关键词： 数 字 信 号 处 理 ； 功 率 因 数 校 正 ； 采 样 算 法
1 引 言
电 力 电 子 装 置 中 采 用 的 PWM技 术 由 于 能 有 效 地 抑 制 谐 波 ， 动 态 响 应 好 ， 使 变 流 器 的 可 靠 性 大 大 提 高 。 工 作 频 率 越 高 ， 上 述 优 点 就 越 突 出 。
PFC的 反 馈 调 节 一 般 采 用 PWM技 术 。 PWM技 术 要 求 功 率 电 路 具 有 高 的 工 作 频 率 ， 因 而 对 控 制 电 路 频 率 也 提 出 相 应 的 要 求 。 传 统 的 模 拟 控 制 已 逐 渐 由 具 有 处 理 速 度 快 、 灵 活 、 精 确 、 可 靠 等 优 点 的 数 字 控 制 所 取 代 。 具 有 高 速 处 理 平 台 的 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 是 一 个 较 理 想 的 选 择 。 采 用 DSP作 为 PFC的 控 制 电 路 ， 概 括 已 有 的 研 究 成 果 ， 作 者 认 为 ： 采 用 传 统 的 固 定 点 采 样 方 法 ， 由 于 开 关 点 的 不 确 定 ， 容 易 受 开 关 通 断 动 作 时 所 出 现 的 高 频 噪 声 的 影 响 ， 以 至 采 样 准 确 度 大 受 影 响 。 为 使 受 控 系 统 能 够 稳 定 工 作 ， 文 献 [2]提 出 了 跳 过 受 影 响 的 区 间 进 行 采 样 的 算 法 ,即 不 定 点 采 样 算 法 ， 取 得 了 不 错 的 效 果 。
本 文 针 对 开 关 动 作 对 采 样 的 影 响 ， 详 细 分 析 了 存 在 的 开 关 振 荡 区 间 ， 并 给 出 其 表 达 式 。 在 此 基 础 上 ， 提 出 针 对 该 问 题 的 另 一 种 解 决 办 法 — — 线 性 外 推 的 固 定 点 采 样 方 法 ， 并 给 出 了 采 样 点 的 选 取 原 则 。 将 此 算 法 用 于 一 个 实 验 模 型 中 ， 实 验 结 果 证 明 了 理 论 分 析 的 正 确 性 与 线 性 外 推 算 法 的 可 行 性 。
2 基 于 DSP的 PFC控 制 策 略
基 于 Boost的 PFC原 理 如 图 1所 示 。
有 源 校 正 的 目 的 是 ， 在 满 足 负 载 电 压 为 平 稳 的 直 流 电 压 前 提 下 ， 通 过 PWM策 略 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ， 使 通 过 电 感 L的 电 流 即 网 侧 电 流 具 有 近 似 正 弦 的 波 形 ， 且 与 网 侧 电 压 相 位 相 同 ， 整 个 电 路 的 功 率 因 数 接 近 1， 具 有 功 率 因 数 校 正 的 目 的 。
传 统 的 采 样 模 拟 控 制 ， 其 控 制 部 分 如 图 1中 的 虚 线 框 所 示 ， 若 用 DSP， 则 该 部 分 的 功 能 由 DSP及 其 外 围 设 备 代 替 。 框 中 的 关 键 部 件 为 基 准 信 号 发 生 器 （ 也 称 乘 法 器 ） 。 其 输 入 信 号 由 反 映 输 出 电 压 精 度 的 误 差 信 号 和 反 映 网 侧 的 电 压 信 号 组 成 ， 其 输 出 作 为 控 制 开 关 管 的 基 准 与 反 映 电 感 电 路 iL的 信 号 比 较 ， 进 行 控 制 开 关 管 的 通 断 时 间 。 因 此 必 须 采 样 输 入 电 压 Vin， 输 入 电 流 iL， 和 输 出 电 压 Vout。 对 它 们 不 失 真 采 样 是 实 现 网 侧 电 流 正 弦 ， 保 持 输 出 电 压 稳 定 的 关 键 。 一 般 的 策 略 是 ： 本 开 关 周 期 利 用 上 一 周 期 计 算 的 开 关 时 间 值 控 制 开 关 ， 利 用 本 周 期 的 采 样 量 计 算 下 一 周 期 的 开 关 时 间 ， 依 次 类 推 。
3 单 周 期 单 采 样 方 法 的 现 状
为 了 提 高 转 换 器 的 开 关 频 率 ， 一 般 采 用 每 周 期 采 样 一 次 的 方 法 。 但 由 于 开 关 噪 声 的 存 在 ， 在 开 关 动 作 时 总 伴 随 着 一 定 时 间 的 高 频 振 荡 ， 如 图 2所 示 。 如 果 仅 有 的 一 次 采 样 刚 好 发 生 在 振 荡 区 间 ， 无 疑 将 使 采 样 失 真 ， 直 接 影 响 电 压 的 稳 定 。 事 实 上 这 种 情 况 是 存 在 的 。
几 乎 所 有 的 脉 宽 调 制 电 路 的 开 关 点 是 不 定 的 ， 这 在 PFC类 型 的 电 路 中 尤 为 突 出 。 因 为 其 输 入 是 正 弦 波 ， 有 零 到 峰 值 的 变 化 范 围 ， 所 以 要 保 持 输 出 稳 定 ， 相 对 应 的 占 空 比 必 须 有 接 近 于 1到 0的 变 化 范 围 。 这 样 就 会 导 致 在 某 个 时 间 段 ， 采 样 总 会 发 生 在 高 频 振 荡 区 间 。 文 献 [2]采 用 一 定 的 算 法 避 开 此 区 间 采 样 ， 即 不 固 定 点 采 样 算 法 ， 取 得 了 比 较 理 想 的 控 制 效 果 。
4 线 性 外 推 的 采 样 算 法
设 开 关 周 期 为 T， 定 点 采 样 时 间 为 χ ， 采 样 时 间 为 tsam， 振 荡 时 间 为 tosc， 占 空 比 为 D， Uinsinω t为 输 入 电 压 ， U0为 输 出 电 压 。
4.1 PWM调 制 的 占 空 比 分 布
由 于 正 弦 波 周 期 远 大 于 开 关 周 期 ， 故 可 以 直 接 运 用 Boost电 路 的 直 流 增 益 公 式
图 3中 ， 显 示 了 一 个 正 弦 脉 冲 中 的 占 空 比 的 变 化 情 况 。
4.2 采 样 到 谐 振 信 号 的 区 间 推 导
可 见 ， 在 一 个 脉 冲 周 期 内 ， 占 空 比 先 由 1变 到 0， 再 由 0变 到 1。 如 果 采 用 固 定 点 采 样 ， 将 可 能 在 两 个 对 称 的 区 间 上 采 样 到 开 关 谐 振 信 号 。 由 于 对 称 ， 故 只 需 求 解 0— π /2的 区 间 。
由 图 4可 知 ， 在 0— π /2的 区 间 中 ， 可 能 采 样 到 开 关 谐 振 信 号 的 区 间 为
因 为 θ ′ < 0， 所 以 χ 越 大 ， θ 越 小 。 但 为 保 证 在 T－ χ 时 间 内 能 够 完 成 下 周 期 占 空 比 的 计 算 ， 不 能 太 大 。
4.3 线 性 外 推 算 法
当 χ 的 取 值 尽 可 能 大 ， 同 时 又 满 足 T－ χ 时 间 内 能 完 成 计 算 任 务 ， θ 的 取 值 一 般 在 10° 到 20° 之 间 。 可见 ， 不 确 定 采 样 范 围 很 小 ， 其 斜 率 变 化 也 不 大 ， 可 以 采 用 线 性 外 推 算 法 进 行 纠 正 。 一 般 开 关 谐 振 幅 值 都 比 较 大 ， 我 们 可 以 预 设 一 个 较 大 的 偏 差 值 ， 当 采 样 值 和 线 性 外 推 值 之 差 超 出 此 预 设 偏 差 ， 就 认 为 采 样 发 生 在 振 荡 区 间 内 ， 这 时 就 用 线 性 外 推 值 代 替 采 样 值 ， 继 续 计 算 。
算 法 流 程 为
虽 然 θ 与 高 频 振 荡 时 间 Tosc有 关 ， 但 Tosc的 估 计 偏 差 只 会 引 起 θ 小 范 围 的 变 化 ， 不 会 导 致 算 法 根 本 失 效 。
5 实 验 结 果
将 此 算 法 运 用 到 一 个 1kW的 变 换 器 中 ， 选 用 比 较 常 用 的 TMS320F240控 制 芯 片 。 考 虑 各 方 面 因 素 ， 选 用 30kHz的 开 关 频 率 ， 则 开 关 周 期 为 33μ s， 因 算 法 简 单 ， 计 算 下 一 周 期 占 空 比 的 时 间 不 超 过 5μ s， 故 采 样 点 选 在 20μ s处 。 其 输 出 波 形 如 图 6所 示 ， 功 率 因 数 为 0.978。
6 结 语
本 文 对 高 频 振 荡 区 间 的 求 解 和 线 性 外 推 思 想 的 运 用 ， 成 功 地 解 决 了 PFC电 路 数 值 采 样 过 程 中 高 频 振 荡 的 影 响 。 文 中 的 方 法 和 结 论 对 于 分 析 、 设 计 和 调 试 所 有 含 开 关 的 数 字 采 样 电 路 均 有 实 用 参 考 价 值 。
参 考 文 献
[1] 蔡 宣 三 ， 龚 绍 文 .高 频 功 率 电 子 学 （ 第 一 版 ） [M].科 学 出版 社 ， 1993.
[2] Jinghai Zhou.Novel sampling algorithm for DSP controlled 2kW PFC converter[J].IEEE tran.PE,2001,16:217－ 222.
[3] S.Wall and R.Jackson.Fast controller design for singlephase power fctor correction system[J].IEEE tran.IE,1997,44:654－ 600.
[4] 吴 忠 .变 频 采 样 PWM矩 形 波 电 流 控 制 [J].电 工 技 术 学报 ， 1996:16－ 21.
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