数字PFC控制：实现电机控制系统监控的增值 (数字pid控制实验原理)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}功率因数校正(PFC)对于工业电机驱动来说越来越重要。这主要是因为公用事业公司一端加强谐波含量监管所导致的。但部署PFC也有好的一面，比如改善整体*效率、导体额定值和分配电压质量；这些优点对于工业环境下的其他负载(如直接在线感应电机和变压器)可能是很重要的。PFC可以使用有源电路拓扑来实现，比如单相[1]或三相升压型整流器[2]，或者通过无源方式实现；后者需正确使用低频电感和电容，以便形成交流线路电流包络。两种形式的PFC均试图重现正弦或近似正弦的线路电流，并与线路电压同相，从而最大程度减少来自公用事业公司、产生损耗的谐波电流和无功功率流。有源和无源PFC之间的权衡取舍与成本、无源元件权重和数量，以及PFC相关损耗有关。在单相电机驱动中，有源PFC使用广泛。对于三相*而言，无源谐波校正使用更广，且三相线路上通常含有Hz或Hz大电感，或者在整流器的直流侧含有单个电感。然而，在较高功率下使用有源PFC能获得某些优势。有源PFC解决方案(直流或交流侧)可提供最优电感尺寸、更低的功率损耗、重量和最佳功率因数。在单相应用中(比如低功耗电机驱动)，默认使用如图1所示的整流器输入升压转换器。

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图1.单相升压PFC电路。这些器件通常在kHz至kHz频率范围内进行开关，因而相比无源解决方案需要使用较小的直流侧电感。对于三相*而言，单开关拓扑可以包含交流或直流侧高频电感。实现PFC控制的一个障碍是使用PFC电路和PFC*导致成本上升。*内处理器处于隔离栅安全超低电压(SELV)侧的情况尤为如此。这种情况下，从主电机控制处理器内部实现PFC控制会增加复杂程度与成本，因为需将交流侧测量结果和控制信号与处理器I/O和ADC相隔离。此外，若要采用通常针对kHz至kHzPWM频率的电机控制应用服务优化的处理器来实现kHz至kHzPWM控制就有点难度了。这种情况下，一种选择是使用一个廉价的模拟PFC*(比如UC[3])，并使其完全*于主**工作。但是，使用一个数字PFC*(比如ADP[4])并搭配电机控制处理器和数字隔离器，便可实现增值。然后，处理器可将部分时序、监控和保护功能交由PFC*负责，增强整体*功能，同时降低成本。这种配置的好处如下：●启动和关断时序●*级状态信息●用户界面显示信息●异常条件监控●最大程度降低传感器要求●备份测量/冗余●用作整体*故障保护的一部分●*优化(通过效率)图2显示了典型数字PFC*的*监控、保护和时序能力。将诸如ADP器件集成功能置于主处理器的控制与监控之下，这样做的优势从*设计角度而言是非常明显的。可以降低总*成本、复杂度并减少传感器数量，哪怕PFC*自身的成本可能要高于其模拟器件。

图2.电机控制*中的数字PFC*功能范围。

图3.通用交流输入电机控制平台。硬件平台ADI提供实验平台，用来在真实电机控制*中验证信号链元件和软件工具。该平台的电路架构如图3所示，平台硬件如图4所示。

图4.电机控制平台硬件。该*表示一个功能完整的PMSM市电输入电机驱动，具有功率因数校正、完全控制、通信信号隔离和光学编码器反馈功能。该*的核心是ARM®Cortex®-M4混合信号控制处理器，即ADI的ADSP-CM。由ADP来执行PFC前端控制，该器件集成精密输入功率计量功能和浪涌电流控制。ADP设计用于单相PFC应用，ADP则特别针对交错式和无电桥PFC应用而设计。数字PFC功能基于传统的升压PFC与输出电压反馈的乘法运算，并结合输入电流和电压来为AC/DC*提供最佳的谐波校正和功率因数。所有信号都转换到数字域以提供最大的灵活性，并且关键参数都可以通过PMBus接口提供报告和调整。ADP/ADP允许用户优化*性能，最大程度地提高负载范围内的效率，并缩短设计上市时间。灵活的数控PFC引擎与精确的输入功率计量功能的完美结合有利于智能电源管理*的采用，从而利用其智能决策能力提高终端用户的*效率。在轻负载时，该器件支持以编程方式降低频率，并能降低输出电压，从而进一步提高效率。ADP/ADP提供增强的集成特性和功能；浪涌电流和软启动控制功能的集成使元件数量显著减少，并使优化设计更轻松。该器件针对高可靠性、冗余电源应用而设计，具有广泛、鲁棒的保护电路。它们还具备*过压保护(OVP)和过流保护(OCP)、接地连续性监控和交流检测。同时提供内部过温保护(OTP)，外部温度则可以通过外部*件记录。*工作原理通过I2C/PMBus接口实现处理器与PFC*的通信，I2C数字隔离器提供域之间的接口，如图5所示。处理器位于SELV电气域内，PFC*参考高压域内的直流总线通用电轨。三相逆变器的栅极驱动器开关信号通过双通道隔离器，从处理器PWM模块路由输出。I2C接口的数据和时钟信号以及通用数字信号同样通过数字隔离器路由。

图5.数字信号隔离。PFC*管理升压PFC电路的控制和监控。这些任务从主电机控制软件的流程中分流至低优先级的程序中，如图6所示。PFC*参数在启动期间配置。如果已有该功能，则通常可以通过将配置参数写入*IC的EEPROM存储器而跳过该步骤。如图6所示，在典型电机控制*中，速度和电流测量以及PWM*更新将作为高优先级中断处理，而电流测量与PWM信号同步。可设置PFC*以便处理输入侧测量，比如输入交流线路电压和电流、直流总线电压、输入功率、PFC电路温度。这些测量对于电机控制算法而言不算关键，不过直流总线电压测量对于无传感器算法可能比较重要。但这些测量对于整体*级监控和*优化而言比较重要。它们可以进而由低优先级I2C数据处理任务或中断例程请求和处理，并且计划速率匹配*监控时间常数。

图6.主电机控制程序结构。图7所示为平台的MicriumProbe™用户界面，其中直流总线基准电压设为V。可以清楚看到交流和直流侧的监控变量以及电机控制。

图7.用户界面。结论由此节省的额外传感器、数字I/O和处理器上的模拟引脚，以及调节和解释测量变量的软件开销可能意味着处理器成本的下降，只要选择性能较低的变体，或者释放处理器硬件和软件空间供其他优先级更高或*增强型功能使用就可以实现。本例中，相对于交流线路电压的*启动序列，直流总线欠压、过压和交流侧过流保护均通过PFC*实现。然而，必须谨慎地进行整体*设计，因为主控制处理器应始终由PFC*负责控制或保护，以便在受到副边影响时不会*执行*作。这种情况的一个例子便是PFC*由于直流总线瞬变过压(比如因为电机制动事件)而经历了一次全局PWM信号禁用。如果*未能检测到该事件，则它将试图调节PWM输出(不会成功)以保持工作点。如果PFC*在过压瞬变消失后重新使能PWM，则*可能会由于PWM占空比的突然大幅增加而出现副边故障。因此，管理PFC*与电机控制处理器之间的保护通信和时序时必须非常仔细。总之，若在较低成本的模拟PFC*与更为昂贵的数字*之间选择，那么潜在的权衡取舍就应当不仅根据PFC电路自身进行评估，还应考虑数字*更强大的功能所带来的潜在*级功能、增强性和成本的下降。本文旨在强调部分关键*级增强特性，使用ADP以及单相电机驱动*作为示例。参考文献[1]L.Rossetto,G.Spiazzi,和P.Tenti.