鉴于单片机理论下的功率因数校正系统设计

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义
电力电子技术在当今的工业和民用领域发挥着越来越大的作用。逆变器、不间断电源（UPS)以及计算机、通信等行业中普遍使用的开关电源，无一不是电力电子技术应用的重要产物。然而，电力电子器件的广泛使用也给电网带来了一定的负面影响。电力电子器件的开关过程一般伴随着较大的电流谐波。而且作为一种非线性负载，对电网功率因数的不利影响也不可小觑。为满足社会对绿色电源的需求，必须对一些电力电子设备加装功率因数校正（Power Factor Correction,简称PFC)装置，以提升产品的功率因数，抑制谐波。当前功率因数校正的成熟方案是采用模拟集成芯片进行控制，其额定功率可达数百至数千瓦，可应用于逆变器前级或普通开关电源等多种设备。
模拟控制存在一定的缺陷，即电路受设计参数影响很大。当额定功率或输出电压发生变化，主电路各元件参数势必要随之变化，影响了电路的通用性。随着电子产品功能和存储容量的不断拓展，其对电能的消耗也不断增加。以电信产品为例。据统计，其更新换代周期一般为18-24个月。但配套的电源技术更新并没有如此迅速，如果延续过去的设计将节省很多成本。这样就要求电源系统具备更大的灵活性和可扩展性。显然模拟控制的功率因数校正技术不能满足对于灵活性和可扩展性的要求。而数字电源控制技术的发展，正为解决这些问题带来了契机。本课题的目的在选择合理主电路和控制方案基础上，采用当前通用电机控制芯片，实现功率因数校正。为达成这一目的，需要详细研究数字控制过程，给出数字控制算法和软硬件参数确定方法。

1.2功率因数校正技术的必要性
开关电源因其较小体积和较高的效率已经成为应用电源中重要种类，是电力电子技术的重要应用领域。下面就以开关电源为例，说明供电系统中功率因数校正的必要性。

1.3功率因数校正技术的发展趋势
功率因数校正技术总体上分为被动式和主动式两类。被动式功率因数校正采用电感电容等无源器件进行补偿，无需额外提供电源。被动式功率因数校正具有结构简单，成本低廉，设计容易等优点。缺点是功率因数较低，一般在0.7以下，因此一般只在要求较低的产品中使用。与之对应的是主动功率因数校正技术。它是指是利用一定的拓扑作为主电路，辅以相应的控制电路，对输入电流的波形进行主动控制。相对被动式校正来说，主动式功率因数校正的主要优点是功率因数高，可达0.95以上。缺点是控制方案复杂，增加了控制难度和系统成本。
20多年来针对主动式校正所做的各种研究使得主动式技术取得了长足进步。已发布的研究成果涉及了电路拓扑，系统建模分析，控制策略等不同方面，对主动式功率因数校正的实现和优化给出了理论上和实践上的指导。本文主要研究主动功率因数校正的数字化实现。

1.4本课题主要研究内容
本文的目的是完成数字控制的单相功率因数校正器设计及实验验证。本文的主要内容如下
(1)首先对比各种拓扑的优缺点选择升压变换器拓扑作为基本的控制拓扑。并采用交错并联的方式进行进一步的拓扑优化。
(2) 通过分析与对比当前主流要的PFC控制方案，选择适合于数字控制实现的平均电流控制模式及电压电流双环控制。
(3) 给出了数字控制系统中模数转换器（ADC)分辨率和脉冲宽度调制器（PWM)分辨率的确定方法，并进行数字控制器构建。
(4) 对控制系统进行补偿，提升系统的稳定性和动态性能。为建立完整的环路数学模型，对主电路进行小信号建模求取传递函数，同时考虑了采样延迟和计算延迟等因素。最后釆用Z变换进行控制器参数整定，并通过伯德图验证了环路补偿对系统性能的提升。
(5)给出了系统硬件设计和软件流程，并通过MATLAB仿真和实验波形验证了设计的正确性。

第二章拓扑与控制方案的选择.............13-22
    2.1 主电路拓扑选择.............13-16
    2.2 控制方案的选择.............16-21
        2.2.1 基于Boost拓扑的控制方案介绍.........16-20
        2.2.2 数字控制IPFC控制方案的确定.........20-21
    2.3 本章小结.............21-22
第三章数字控制IPFC系统结构与参数选择..........22-32
    3.1 数字控制IPFC系统的控制结构.............22-23
    3.2 数字补偿器的构建.............23-24
    3.3 数字控制系统参数选择.............24-31
        3.3.1 采样频率确定.............25
        3.3.2 ADC分辨率确定.............25-30
        3.3.3 PWM分辨率及系统时钟频率.........30-31
    3.4 本章小结.............31-32
第四章数字控制系统的环路设计.............32-43
    4.1 控制系统的小信号模型.............32-34
        4.1.1 主电路描述方程.............32-34
        4.1.2 主电路的小信号模型.............34
    4.2 控制环传递函数推导.............34-37
        4.2.1 电流环传递函数.............34-35
        4.2.2 电压环传递函数.............35-36
        4.2.3 数字控制系统的延迟.............36-37
    4.3 数字控制系统环路补偿.............37-42
        4.3.1 电流环环路补偿.............37-40
        4.3.2 电压环环路补偿.............40-42
    4.4 本章小结.............42-43
第五章基于数字控制的单相功率因数校正器系统设计...... 43-58
    5.1 系统硬件设计...............43-50
    5.2 系统软件设计...............50-53
        5.2.1 软件模块功能与数据存储 .......... 50-51
        5.2.2 软件流程图 ...............51-53
    5.3 仿真及实验结果分析...............53-57
        5.3.1 基于MATLAB的控制过程仿真.........53-55
        5.3.2 实验结果波形图...............55-57
    5.4 本章小结...............57-58

结 论

本文通过对比当前主要的控制拓扑，选择并联交错拓扑作为主电路，从而减小输入谐波并减小电感体积。在控制方案方面，选择了适合于数字控制实现的平均电流控制模式进行数字化控制。控制环分为电压外环和电流内环，软件控制器采用数字PI控制器并添加了防积分饱和环节。为了确定系统控制参数，引入了 ADC和PWM分辨率的计算方法，定量确定了二者分辨率对谐波的影响和系统时钟。
为了对控制环路进行补偿，在建立小信号模型的基础上给出了电流环和电压环传递函数。同时针对数字系统的特点考虑了数字系统延迟和采样保持过程。最后采取经典方法对控制环路补偿并通过频率响应证明补偿方案的合理性。文章最后通过软件仿真和硬件实验证明了设计的合理性。给出了硬件参数选择依据和部分电路原理图。仿真及实验波形显示，控制系统能够很好地完成设计任务。
本课题所提出的控制方案仍有很大提升空间。主电路采用的并联交错拓扑优势明显，但是控制中存在均流问题。虽然采用了一种均流方案，但是占用了系统的计算时间。当前针对PFC电路提出的单周期控制，预测占空比或滑模控制等都可以用于减少算法执行时间，需要进一步评估。对于ADC和PWM分辨率的确定中引入了量化误差概念，目的是减小谐波，但是并没有测量出控制谐波的效果。以上提到的问题，需要今后作进一步的研究。