功率因数校正的数字控制技术应用研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３９卷第２期　２００７年４月　南京航空航天大学学报　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２００７　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　功率因数校正的数字控制技术应用研究　陈　新　Ｃｈａｒｌｉｅ　Ｗｕ　Ｗ　Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ　（１．南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，南京，２１００１　６；　２．８／１６　Ｂｉｔ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｉｎｃ．Ｔｅｍｐｅ，Ａｒｉｚｏｎａ，８５２８４，ＵＳＡ）　摘要：以单管Ｂｏｏｓｔ型ＰＦＣ电路作为研究对象，分别针对电流断续、电流临界连续和电流连续３种工作模态，详　细讨论了数字控制ＰＦＣ的实现方法和设计过程，并分别给出了样机实验结果；此外，结合Ｍｃ５６Ｆ８Ｏ１３的外设资　源特点，给出了基于ＤＳＰ的ＰＦＣ详细的系统接口设计，包括ＰＷＭ控制策略和同步控制ＡＤ采样环节。对ＰＦＣ　的数字控制方案进行了系统研究，提供了不同工作模式下的完整数字控制解决方案，为功率因数的数字控制技　术应用提供了较好的参考作用。　关键词：数字信号处理；功率因数校正；数字控制；ＰＩ控制　中图分类号：ＴＭ８６；ＴＰ２７３；ＴＰ３６８．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—２６１５（２００７）０２—０１６４—０７　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ　Ｃｈｅｎ　ｘｉｎ　，Ｃｈａｒｌｉｅ　Ｗｕ。，Ｗ　Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ。　（１．Ａｅｒｏ—Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉ—Ｔｅｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２１　００１　６，Ｃｈｉｎａ；　２．８／１　６　Ｂｉｔ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｉｎｃ．Ｔｅｍｐｅ，Ａｒｉｚｏｎａ，８５２８４，ＵＳＡ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｖｅｒ　ａｎａｌｏｇ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｎｅ．ＤＳＰ　ｂａｓｅｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃａｎ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ．Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ（ＰＦＣ）ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ，Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｍｏｄｅｓ．　Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｎ—　ｃｈｒｏｎｏｕｓ　ＡＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｏｎｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｅａｃｈ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＰＦＣ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ＰＦＣ　ａｐｐｌｉ—　ｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ（ＰＦＣ）；ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩ　ｃｏｎｔｒｏｌ　引　言　电力电子装置具有较好的系统性能并已得到了广　泛应用，而且数字控制也是最终实现电源模块化、　随着数字信号处理技术和半导体技术的高速　发展，数字控制由于其控制理论与实施手段的不断　完善，且因为其具有高度集成化的控制电路、精确　的控制精度、稳定的工作性能等优点，如今已成为　电力电子学的一个重要研究方向。基于数字控制的　集成化、数字化及绿色化的有效手段。　功率因数校正（Ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ，ＰＦＣ）　作为电力电子功率变换的一种典型应用，具有广泛　的工程应用价值。功率因数校正针对不同应用场合　有多种不同的工作模态，为了完善ＰＦＣ的应用研　基金项目：美国Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司技术合作资助项目。　收稿日期：２００５—０９—１６；修订日期：２００６—０４—１１　作者简介：陈新，男，博士，讲师，１　９７３年１１月生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎ—ｘｉｎ＠ｎｕａｆ１．ｅｄｕ．ｃｎ。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　陈新，等：功率因数校正的数字控制技术应用研究　１６５　究，本文针对Ｂｏｏｓｔ型电路的各种典型工作模态，　采用ＭＣ５６Ｆ８０１３　ＤＳＰ芯片，完成了各自的数字控　制方案，从而系统地完善了ＰＦＣ数字控制应用的　全方面解决方案。　２．１　电感电流断续模式的ＰＦＣ数字控制技术　Ｂｏｏｓｔ变换器工作在断续模式时，开关频率不　变，且在单输入周期内占空比也是基本假定不变，　所以整个系统实际是个单电压环结构（图１即为工　作在断续模式下的单相Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ变换器系统框　图）。系统根据输出电压误差信号完成电压环的计　１功率因数校正技术和ＭＣ５６Ｆ８０１３　ＤＳＰ芯片简介　算，电压环的结果即转换成为主控功率管的占空比　功率因数的定义：交流输入有功功率与输入视　在功率之比，在假定电网电压是理想的正弦波条件　下，功率因数可以定义成电流失真因素和相移因素　的乘积。通常ＰＦＣ电路主要完成两项任务：（１）控　制电感电流，使输入电流正弦化，并跟随输入电压　相位；（２）控制输出电压，保持输出电压恒定ｕ　］。　ＭＣ５６Ｆ８０１３是Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ半导体（原Ｍｏｔｏｒｏｌａ　半导体）针对电力电子应用推出来的一款新型　ＤＳＰ芯片，该ＤＳＰ基于增强型５６８００Ｅ内核，其芯　片主频为３２　ＭＨｚ，内部有４　ＫＢ程序／数据ＲＡＭ　和１６　ＫＢ程序Ｆｌａｓｈ。此外，针对电力电子应用密　切相关的ＰＷＭ、定时器和ＡＤ采样各功能模块进　行了专门优化，使其具有更佳使用特性，同时简化　了一些与电力电子应用不太相关的硬件资源，使整　个芯片具有较好性价比。芯片主要的外设资源有：　一个高分辨率ＰＷＭ模块，包含６个ＰＷＭ信号通　道；一个高精度ＡＤＣ模块，包含８路１２位ＡＤ转　换通道，最高转换时钟为８　ＭＨｚ，完成一次转换最　快需要１．２　ｓ；一个１６位定时器模块，包含４个定　时／计数器，它们可以单独使用也可级联，可以计量　外部事件在一段时间里发生的次数，也可以通过计　量内部时钟得到外部事件发生的间隔时间。　２　不同工作模式下基于数字控制单　相Ｂｏｏｓｔ功率因数校正技术　有源功率因数校正技术种类繁多，其中单相　Ｂｏｏｓｔ型电路因其具有电路简单、效率高、成本低　等优点，而得到广泛应用。基于Ｂｏｏｓｔ的ＰＦＣ电　路，根据其电感电流工作特点，可以分为３种模式：　（１）电感电流断续模式（Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ＤＣＭ）；（２）电感电流临界连续模式（Ｂｏｕｎｄ—　ａｒｙ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ＢＣＭ）；（３）电感电流连续模　式（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ＣＣＭ）。３种模式　各有其优点，适用于不同场合。为了完善ＰＦＣ的数　字控制应用研究，本文以Ｂｏｏｓｔ型电路作为研究对　象，全面分析其在各种典型工作模式下的数字控制　原理和设计过程，给出了各自的完整数字控制解决　方案。　信号。　图１　ＤＣＭ　ＰＦＣ系统控制框图　假定在稳态条件下，ＭＯＳ管的导通时间为　７１。　，输入电压为　ｉ，电感电流为ｉ　，电感电流峰值　为ｉ…，电感量为Ｌ，则在ＭＯＳ管导通期间，有　Ｌ　ｄｉ—Ｕ　（１）　式中　ｄｉ一　，因此　７１　ｉ…一二　（２）　从式（２）可以看出，如果假定输入周期内各开　关周期和占空比近似不变时，电感电流的峰值与输　入电压成正比，输人电流波形自然跟随输入电压波　形，电路不需要电流控制环即可实现ＰＦＣ功能，与　乘法器型ＰＦＣ电路相比，此ＰＦＣ电路控制简单，　仅需要一个电压控制环控制输出电压即可¨２］。　要想保证电路在一定电压范围和负载范围内　处于断续模式，关键是电感量的设计，下面仅给出　电感量设计的最终结果公式（详细推导过程可参考　文献［４］）　ｄ—ｄ　＋ｄ，一　，　ｍｍｉｎ　。×（　一ｓｉｎｗｔ）　式中：ｄ。为ＭＯＳ管导通占空比；　为续流二极管　导通占空比；Ｌ为电感量；－厂ｓ为开关频率；Ｐ。为输　出功率；　。为输出电压；　一　。／ｕ．。　维普资讯 http://www.cqvip.com １６６　南京航空航天大学学报　第３９卷　要保证电感电流断续，必须满足　＜１。随着　ｉ　的增加，ｄ先减小后增大。因此在输入电压较　小与较大时均会使电感电流趋于连续，通常在断续　模式下的电感量设计中按最低输入电压时确定参　数。　基于上述分析，设计一台输出功率为５００　Ｗ　的功率因数校正器，输入电压为８５～２６５　Ｖ，输出　电压为３８０　Ｖ，选择开关频率为１００　ｋＨｚ。考虑最低　输入电压８５　Ｖ时，输出功率满载的情况，可计算出　…一３．１６２，最终可求得：Ｌ一５０　Ｈ。　由于软件算法简单（仅一个电压单环），而且实　时性要求不高，所以整体软件开销较小。整个电压　环控制的中断服务子程序采用指令Ｃ语言编程，　折算为汇编语言共需要２０３条单周期指令，芯片的　主频为３２　ＭＨｚ（即３１．２５　ｎｓ／条），那么占用的　ＣＰＵ计算资源约为６．３５　ｓ，ＰＦＣ算法计算周期为　１Ｏ０　ｓ，这样ＰＦＣ部分控制的软件开销仅占ＤＳＰ　全部软件资源的６．４％。　在马达驱动控制以及其他数字控制的中小功　率用电设备中，引入ＤＣＭ　ＰＦＣ方案作为前级预调　整器时，根本不用附加额外的控制芯片，仅由用电　设备本身的数字控制器即可完成ＰＦＣ软件算法的　捆绑，集成前级ＰＦＣ的全部控制功能。同时系统中　ＰＦＣ的控制不占用额外ＡＤ采样（ＢＵＳ电压采样　往往也是主控制功能所必需），仅需增加一路　ＰＷＭ通道和很少的软件开销，即可完成整个系统　的数字控制，这将使系统具备很高的性能和性价　比。　本文制作了一台输出功率为５００　Ｗ原理样　机，对上述理论分析与设计进行了验证。图２为在　输入电压２２０　Ｖ时输入电压和输入电流波形，其中　通道１为输入电压波形，通道２为输入电流波形，　此时，功率因数达到０．９７８，输入电流总谐波含量　为２Ｏ．４９　。　此外，由于电感电流断续，所以主管工作在　ＺＣＳ模式，续流二极管没有反向恢复问题，系统噪　音干扰较小。　２．２　电感电流临界模式的ＰＦＣ数字控制技术　从前述分析与实验知道，Ｂｏｏｓｔ电路工作在电　感电流断续模式时，较好地实现了功率因数校正的　功能，系统可以获得较高的整体性能和性价比。但　是这种方案导致开关电流峰值较大，且系统功率因　数校正的效果会随着输入电压幅值的增加而变差。　而当电路工作在电感电流临界连续模式，同样能达　到断续时主管ＺＣＳ、续流二极管无反向恢复的优点，　誓善　蚕　ｔ／ｍｓ（５　ｍｓ／格）　图２　ＤＣＭ输入电压电流波形　相对断续模式而言，开关电流峰值会较断续时有所　减小，功率器件的电流压力较小，而且电路对输入　电网来说将呈纯阻性，系统可以实现单位功率因数　校正，其校正的效果与其他因素无关。　图３为临界电流连续模态时算法结构框图，输　出的直流母线电压经采样与输出电压的给定值比　较，经电压环ＰＩ调节Ｇ　。　，再经过电流给定算法就　可得到纯正弦给定的电流参考波形。最后是一个电　流比较环节，在电流比较环节中，根据前面计算得　到的电流给定与电感电流采样进行比较，当电感电　流上升到电流给定时，关断ＭＯＳ管，当电感电流　下降到零时，开通ＭＯＳ管。　号　电压环　给定算法　电流比较　图３临界连续ＰＦＣ算法结构　在基于ＤＳＰ数字控制的ＢＣＭ　ＰＦＣ中，电流　给定算法至关重要。在传统模拟控制算法中，电流　的波形给定是以输入电压波形为依据［５　］，这样势　必将输入电压的纹波带入输入电流控制，如果电源　外界工作环境差，将较大程度地影响电源的输入功　率因数校正效果。在基于ＤＳＰ纯数字控制中，由于　正弦给定可以方便地由ＤＳＰ内部软件完成，这样　给定波形为纯净正弦，不受输入电压的影响，给定　算法公式为　Ｌ一—　，ｓｓ　ｐｈａ　ｐｅ　㈤　（４　Ｊ　式中：Ｉｓｈ￣ｐｅ为ＤＳＰ程序软件生成的纯正弦给定；Ｋ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　陈新，等：功率因数校正的数字控制技术应用研究　１６７　为比例常数；Ｖ　。为电压调节器的输出；Ｖ　ｒｒ为前馈电　压有效值。　本文在５００　Ｗ原理样机上（输入输出要求同　前），对上述理论分析与设计进行了实验验证。图４　为输入电压２２０　Ｖ、输出满载时的输入电压和输入　电流波形，通道１为输入电压波形，通道３为输入　电流波形，输入电流总谐波含量为９．４　，功率因　数达到０．９９３，可以看到系统具有较好的功率因数　效果。　彗　蚕　ｔ／ｍｓ（５　ｍｓ￣Ｎ）　图４　ＢＣＭ输入电压电流波形图　２．３电感电流连续模式的ＰＦＣ数字控制技术　对于电感电流临界连续和电流断续模式，如果　应用在较大功率场合，都会存在开关电流峰值过大　的问题，同时功率因数校正效果也会受到一定影　响。对于较大功率或对功率因数要求较高场合，通　常都会采用电流连续模式，这时ＰＦＣ的控制为乘　法器原理，开关频率固定，开关管导通比随着电感　电流而变化，最终使得平均电感电流跟踪正弦给　定，实现功率因数校正，此时功率管的电流压力会　较临界连续模式方案进一步减小。　图５即为采用的电感电流连续工作模式下的　图５　ＣＣＭ　ＰＦＣ系统框图与算法结构　单相功率因数校正实用实例，主功率电路由功率管　Ｑ、升压二极管Ｄ、储能电感Ｌ以及输出电容ｃ组　成，输入侧还包括输入ＥＭＩ滤波、输入继电器以及　二极管全波整流电路。连续模式功率因数校正算法　结构分为电压外环、给定算法及电流内环三部分。　电压外环实现输出直流电压跟随给定电压；电流给　定算法产生与输入电压一致的正弦波形，并加入恒　功率电压前馈，其算法结构同临界连续模式时的电　流给定算法；电流内环实现输入交流电流跟随输入　交流电压波形，完成ＰＦＣ功能。　在基于ＭＣ５６Ｆ８０１３的ＰＦＣ应用模块中，数字　控制器采样全波整流电压　、输入电流　。　和输出　直流母线电压　三个模拟变量，送人ＤＳＰ处理。　外环电压环Ｇ　保证了输出直流电压稳压在给定　值，电压环的输出决定了电流环给定的幅值；数字　正弦电流波形给定决定了电流环给定的形状，保证　了输入电流的正弦化；对输入电压的采样不仅决定　了输入电流的过零点，保证了电流与电压相位的一　致，同时输入电压前馈也加速了输入变化时系统的　响应速度；内环电流环Ｇ　的速度较快，将输入电流　采样值与电流环给定相比较，经电流环的ＰＩ调节　器产生变化的占空比参数，最后通过ＰＷＭ０给出　主功率开关管控制波形，最终达到输入功率因数校　正并稳定输出电压的目的。　基于ＤＳＰ的ＰＦＣ控制主程序包括如下几部　分：初始化程序、电压环定时器周期中断、电流环定　时器周期中断、ＰＷＭ重载中断，其软件系统结构　如表１所示。主程序完成ＡＤ、ＰＷＭ、定时器等模　表１软件系统结构　名称　ｆ／ｋＨｚ　中断源　中断任务　块的初始化工作，然后进入一个循环等待中断发　生；电压环定时器周期中断的主要功能是完成电压　环计算；电流环重载周期中断根据电流给定值完成　电流环计算；ＰＷＭ重载中断根据电流环计算结果　刷新ＰＷＭ输出模值，动态调节ＰＷＭ通道的占空　比输出。　维普资讯 http://www.cqvip.com １６８　南京航空航天大学学报　第３９卷　同样，在５００　Ｗ的数字控制ＰＦＣ电源平台　上，对ＣＣＭ　ＰＦＣ电路进行实验验证。图６为输入　写程序，ＤＳＰ５６８００Ｅ系列支持软件开发和实时调　试，通过简单的接口电路，ＪＴＡＧ可以直接连接到　ＰＣ机的并口；而采用基于ＳＣＩ／ＳＰＩ等通讯协议，　可以方便地建立起ＰＣ机终端的后台通信，这也使　得电源的管理和监测更加便捷。　本文采用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的新型ＤＳＰ芯片　电压有效值２２０　Ｖ输出满载时的输入电压和输入　电流采样波形，其中通道１为输入电压波形，通道　３为输入电流采样波形，此时输入电流总谐波含量　为４．７　９／５，输入功率因数为０．９９７，可以看到系统具　有良好的功率因数效果。　ＭＣ５６Ｆ８０１３，不仅具有较高的性价比，而且针对电　力电子应用要求对芯片的特定模块进行了优化设　计，包括非对称计数模式的高精度ＰＷＭ模块、可　善　与ＰＷＭ同步控制的高速ＡＤ采样模块等。　０　婺　．　、至　：　．　３．１　ＭＣ５６Ｆ８０１３实现ＰＷＭ的控制策略　ＤＳＰ根据闭环计算结果对ＰＷＭ输出信号的　占空比进行调节，从而实现ＰＦＣ校正功能。　蚕　ＭＣ５６Ｆ８０１３的ＰＷＭ输出有两种方式，即中心对　齐方式和边沿对齐方式；ＰＷＭ模块有３个重要的　，∥　寄存器，即ＰＷＭ周期寄存器（ＰＷＭＣＭ）、ＰＷＭ　：■０　０　０　：０　０　０　０：　模值寄存器（ＰＷＭＶＡＬ）和ＰＷＭ计数器（ＰＭＣ—　ｔ／ｍｓｆ５ｍｓ／￣ｔ－）　ＮＴ），其中ＰＷＭ周期寄存器用来设定ＰＷＭ计数　周期。　图６　ＣＣＭ输入电压电流波形　以中心对齐方式为例，计数寄存器中的计数值　３　ＤＳＰ系统设计与外设资源应用　增量计数到模值寄存器时，ＰＷＭ输出信号翻转，　当计数寄存器计数到周期寄存器值后变为减量计　ＤＳＰ的系统设计分为３个部分（见图７）：（１）　数，减到模寄存器设定值后，输出再次翻转。通常　数字外围电路，包括控制电源的产生、复位电路设　ＤＳＰ都是在一个ＰＷＭ周期中使用同一个ＰＷＭ　计、ＪＴＡＧ仿真接口电路口］，这是ＤＳＰ正常工作所　模值寄存器（即上升沿和下降沿均用同一个ＰＷＭ　必需的；（２）数模接口电路，包括ＡＤ采样电路、　模值作为翻转基准），从而导致在互补模式下，　ＰＷＭ输出接口电路，这是ＤＳＰ数字控制与功率　ＰＷＭ宽度以及ＰＷＭ周期总是等于ＰＷＭ模值　电路的接口；（３）可选的扩展电路，包括ＬＥＤ显示、　的偶数倍，影响了控制精度。　ＳＣＩ通信以及ＤＡ调试模块，提供了友好的人机交　ＭＣ５６Ｆ８０１ｘ的ＰＷＭ模块具有一个突出的特　互界面。　点，即非对称ＰＷＭ输出模式。即ＰＷＭ占空比可　以在半周期独立设置，ＰＷＭ的计数方向不同决定　ＰＷＭ模寄存器的选择，如在增量计数时，选择奇　数模寄存器有效，在减量计数时选择偶数模寄存器　有效，即上升沿和下降沿可采用不同的ＰＷＭ模值　作为翻转基准（图８）。这样ＰＷＭ宽度可以是奇数　也可以是偶数，从而可以将ＰＷＭ控制精度提高一　倍，这在高频控制应用场合尤为重要。　３．２　同步控制的多功能ＡＤ采样　图７　ＤＳＰ及外围电路系统架构　在ＭＣ５６Ｆ８０１ｘ中含有一个模数转换模块　（ＡＤＣ）：包括８路模数转换输入口，其中ＡＮＡ０～　ＤＳＰ具有强大的运算能力和丰富的外设资　ＡＮＡ３共用一个采样保持器，ＡＮＡ４～ＡＮＡ７共用　源，因此ＤＳＰ控制的电力电子系统可以在获得优　一个采样保持器。用户可以根据需要灵活配置：既　越控制性能的同时实现有效的电源管理。　能只使用一个采样保持器对８路模拟信号进行顺　ＭＣ５６Ｆ８０１３具有两个显著的功能，即ＪＴＡＧ和　序采样；也可以同时使用两路采样保持器，对２路　ＳＣＩ／ＳＰＩ多协议通信接口。其中ＪＴＡＧ用于调试和　模拟信号进行同时采样。除了这些基本特性外，　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　陈新，等：功率因数校正的数字控制技术应用研究　１６９　上限溢出中断，这样就会在电感电流为零时、以及　＼　爪　１：高电　状；　／／＼ＰＭ　．Ⅵ　１　电流超过上限值（即电感电流给定）时，进入相应中　／　＼　断后，分别执行对应的ＰＷＭ开关操作，即可实现　临界连续时的功率管控制。此外过零中断还可以实　／：、ＰＭＶＡＬ０　现交流信号的过零判断，完成一些同步控制功能。　例如对输入电压信号采样时，根据其过零中断响应　就可精确定位电流给定的过零点，保证两者的同相　位。值得一提的是，所有这些功能均为ＤＳＰ内部硬　０：低电平状态　１：高电平状态　０：　低电５　Ｆ状ｊ　ｔ／ｇｓ（单位开关周期为ｌ０　ｓ）　图８　ＰＷＭ控制策略　ＡＤＣ还特别针对电力电子应用进行了特殊设计，　如同步启动特性、多中断响应模式等。　在电力电子系统中，每次功率器件的开关动　作，必不可少地会在地线上引起一些扰动，同时由　于ＤＳＰ数字控制系统参考电平仅为３．３　Ｖ，地线　上的小扰动都有可能造成ＡＤ采样较大失真，如果　ＤＳＰ芯片正好在功率器件开关时刻启动ＡＤＣ，采　样结果并不能反映真实情况，严重时甚至危害到整　个系统的稳定性。在ＭＣ５６Ｆ８０１ｘ中，ＡＤＣ具有多　种启动方式，既可以用软件指令启动，也可利用内　部定时器实现与ＰＷＭ脉冲同步启动，这个性能特　点在数字控制电力电子应用中尤其有益。可以通过　软件设定将ＡＤＣ采样时刻与ＰＷＭ中心时刻调　整成精确同步，这样每次ＰＷＭ正脉宽的中心时刻　同步启动ＡＤＣ，对于不同的占空比输出情况，此时　功率器件的开关状态均已完成，ＡＤＣ采样也就能　有效避免功率开关干扰而能真实反映模拟采样结　果。　对于一般ＤＳＰ的内部ＡＤＣ功能模块，中断响　应比较单一，只能在全部采样结束后产生一个中断　响应。在ＭＣ５６Ｆ８０１ｘ的ＡＤＣ模块里，除了采样结　束中断外，每路ＡＤ通道均提供了多种硬件中断响　应，即每路ＡＤ通道根据实时采样结果自动产生上　限溢出中断、过零中断和下限溢出中断，而且每个　ＡＤＣ都有各自寄存器组，所以每个ＡＤＣ的中断响　应独立，即不同的ＡＤＣ通道对应不同的上下限阈　值标准。这一特性对于电力电子应用也很有帮助，　例如在临界连续模式下的功率因数校正中，这种特　性就可以方便用来实现ＰＦＣ中电流环比较功能，　根据实时电感电流给定计算结果设置ＡＤＣ上溢　比较寄存器，能使电感电流采样通道的过零中断和　件自动完成，而不需要任何额外的软硬件开销，这　对于高频应用场合也同样重要。　４　结束语　数字控制已逐渐成为电力电子研究领域中的　一个重要发展方向，基于ＤＳＰ的功率因数校正应　用将高性能的ＤＳＰ与有源功率因数校正应用紧密　结合，为电力电子设计提供了一种新思路［８］。　本文针对常用的Ｂｏｏｓｔ型ＰＦＣ电路，在各种　典型模式下（包括电感电流断续、电感电流临界连　续和电感电流连续）分别给出了数字控制系统的完　整设计过程。包括控制原理分析和设计方法，针对　不同工作模式下给出了各自的数字控制解决方案，　并用实验样机验证了数字控制系统的优良性能。　在电流断续模态下，控制电感电流的峰值跟随　输入电压波形，仅需一个电压外环控制就可以完成　ＰＦＣ控制功能，控制软件资源开销低，这样可以方　便与其他主控功能相集成，但是功率管峰值电流　高，校正效果会随着输入电压增大而降低。在电流　临界连续模态下，其校正的效果与输入电压无关，　通过电流滞环比较程序，使电感电流临界连续且保　证正弦变化，这种控制实际是变频控制，软件实现　算法相对复杂；电感电流连续模态广泛应用于多种　功率应用场合，采用乘法器ＰＦＣ控制原理，保证电　感电流跟随标准正弦变化，实现良好的功率因数校　正。　本文最后给出了数字控制ＰＦＣ电源系统的关　键接口设计方法，形成功率因数校正的数字控制完　整解决方案，为功率因数校正的数字控制应用提供　了很好的参考作用。　参考文献：　Ｅｌｉ　Ｌｉｕ　Ｐｉｎｇ，Ｍｅｎｇ　Ｙｕ，Ｋａｎｇ　Ｙｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　Ｂｏｏｓｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　１９９９　Ｉｎｔｅｒ—　ｎａｔｉｏｎａ１　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅ１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｒｉｖｅ　维普资讯 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１７０　Ｓｙｓｔｅｍ９３７．　南京航空航天大学学报　第３９卷　，Ｖａｎ　ｄｅ　Ｓｙｐｅ．Ｄｅｓｉｇｎ　（ＰＥＤＳ　９９）．ＨｏｎｇＫｏｎｇ：ＩＥＥＥ，１９９９：９３３—　ｄ　Ｍ［５］　Ｋｏｅｎ　ｄｅ　Ｇｕｓｓｅｍｅ，Ｄａｖｉｉｓｓｕｅｓ　ｆｏｒ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｂｏｏｓｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒ—　ｇｕｃｈｉ　Ｋ，Ｎａｋａｙａ　Ｙ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　［２］　Ｔａｎｉｏｆ　ｉｎｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｍｏｄｅ　ｒｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ　ＩＥＥＥ—Ｉｎｔ　Ｓｙｍｐ　Ｉｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒ，ＩＳＩＥ　０２．Ｌ　Ａｑｕｉｌａ，Ｉｔａｌｙ：ＩＥＥＥ，２００２：７３１—　７３６．　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｕｎｉｔｙ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏ—　ｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｎａｇａｏ—　　Ｐ，Ｋｕｂｉｃｚｅｋ　Ｚ．３－Ｐｈａｓｅ　ＡＣ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　［６］　Ｕｈｌｉｒｋａ，Ｊａｐａｎ：ＩＥＥＥ，１９９７，１（３—６）：３９９—４０４．　　ａ１．　［３］　Ｂｕｓｑｕｅｔｓ—Ｍｏｎｇｅ　Ｓ，Ｓｏｒｅｍｅｋｕｎ　Ｇ，Ｈｅｒｔｚ　Ｅ，ｅｔＤｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｂｏｏｓｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃ—　ｗｉｔｈ　Ｖ／Ｈｚ　ｓｐｅｅｄ　ｏｐｅｎ　ｌｏｏｐ　ｕｓｉｎｇ　ＤＳＰ５６Ｆ８０ｘ［ＥＢ／　ＯＬ］．（２００１—０６）［２００２—１０］．ｈｔｔｐ：／／Ｗｗｗ．ｆｒｅｅｓｃｏｌｅ．　ｃｏｍ／ｆｉｌｅｓ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｄｏｃ／ＡＮ１９１１．ｐｄｆ．　ｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｇｅｎｅｒｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏ—　ｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ＡＰＥＣ　０２．Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，　２００２，２：ｌ１７７一ｌｌ８２．　［４］　昌建军．单相Ｂｏｏｓｔ功率因数校正技术研究［Ｄ］．南　京：南京航空航天大学自动化学院，２００５．　［７］　徐龙祥．一种基于ＤＳＰ的高速数据采集与处理系统　［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２０００，３２（１）：１１９—１２３．　［８］　陈新，ｗｕ　Ｃｈａｒｌｉｅ，Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ　Ｗ．基于ＤＳＣ控制的数　字功率因数校正模块应用［Ｊ］．电工技术学报，２００６，　２１（１２）：９８一ｌＯ３．