1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上PFC控制系統(tǒng)的設計雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)在UPS的實時控制中已經被廣泛采用。其雙閉環(huán)主要包括電壓外環(huán)和電流內環(huán)，通過內環(huán)對電流的控制，能夠加快電壓的響應速度，并且能在電流過大的時候，及時的進行保護和限流。對于PFC控制系統(tǒng)來說，我們不僅需要獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓，還要獲得諧波小的電感電流，這就對電壓環(huán)和電流環(huán)的設計提出了更為嚴格的要求。目前，數字化控制系統(tǒng)中所使用的控制器結構，都是經過模擬控制器演變而來，其傳遞函數如下：這一控制器實際上是在PI調節(jié)器的基礎上，增加了一個極點而成的。所以，本文的主要目標就是設計比例增益K，零點a，極點b。多環(huán)控制系統(tǒng)設計的基本原則如下：&#

2、216; 先設計內環(huán)，再設計外環(huán)；Ø 外環(huán)調節(jié)器的輸出，為內環(huán)的給定；Ø 內環(huán)要快于外環(huán)，其設計在穩(wěn)定的基礎上，盡可能的滿足快速性要求，外環(huán)主要滿足抗擾性能。1.1 電流環(huán)的設計1.1.1 占空比到電感電流的傳遞函數根據小信號模型，可以得到占空比到電感電流的傳遞函數如下： （1-1）其中，為BUS穩(wěn)態(tài)電壓，為平均占空比，為BOOST電感，為BUS電容，為負載電阻（假設PFC的負載為電阻負載）。以3K/220V為例，=350V，= 220*0.5/350 = 0.3143(220*0.5為輸入半波電壓有效值?應該為220*0.707)，= 515uH，= 940uF，假設效率

3、=92%，則可以算出等效負載電阻為：93.9 （1-2）其開環(huán)幅頻特性和相頻特性如下圖所示：圖1-1 占空比到電感電流的傳遞函數開環(huán)頻率特性從圖1-1中可以看到，其對象的截止頻率為rad/s。另外，我們從圖中也可以看到，當時，對象與積分環(huán)節(jié)的特性非常相似。實際上，從式（1-1）可得到，當時，則可將對象等效為：（1-3）其BODE圖如下：圖1-2 等效傳遞函數頻率特性 從圖1-2所可知，當我們設計的系統(tǒng)的截止頻率大于3000 rad/s時，我們就可以將看成一個積分環(huán)節(jié)來處理，從而來研究電流環(huán)的動態(tài)響應特性。我們在設計PFC電流環(huán)時，一般將其截止頻率設計到8000rad/s(1.3kHz)附近，一

4、方面是為了滿足快速性要求，另一方面，濾除電感電流的高頻分量，使電感電流的THDi減小。所以，完全可以將當成積分環(huán)節(jié)來處理。1.1.2 反饋回路的傳遞函數另外，還需要計算采樣回路的傳遞函數，以3K為例，采樣的衰減比為；濾波電路的傳遞函數為 (RC濾波)采樣回路中，差分電路的傳遞函數為：所以，整個反饋回路的傳遞函數為： （1-2）1.1.3 DSP控制延遲從DSP采樣到更新占空比是有一定延遲的，在8356的控制中，是在三角波的波峰發(fā)出的采樣，而在三角波的波谷更新占空比，因此，其延遲時間實際上是半個開關周期，如圖所示。圖1-3 DSP控制延遲時間利用純延遲環(huán)節(jié)，來等效這個延遲。則。利用Pade級數展

5、開可以得到如下的傳遞函數：（1-3）其階躍響應曲線和相頻特性如下圖所示：圖1-4 延遲環(huán)節(jié)的相頻特性和響應曲線從圖1-4可知，延遲環(huán)節(jié)的等效傳遞函數在低頻段，對系統(tǒng)的相位延遲與純延遲環(huán)節(jié)完全相同，由于在設計PFC控制系統(tǒng)時，我們的截止頻率一般都在2kHz左右，所以，我們在控制系統(tǒng)設計中，可以利用式1-3來研究延遲環(huán)節(jié)的相位滯后特性。1.1.4 電流環(huán)調節(jié)對象開環(huán)傳遞函數電流環(huán)控制結構圖：圖1-5 電流環(huán)控制結構根據圖1-5，可以得到電流環(huán)調節(jié)對象的開環(huán)傳遞函數：（1-4） 根據（1-4）可以得到其開環(huán)傳遞函數的頻率特性如下圖所示：圖1-6 電流環(huán)調節(jié)對象開環(huán)頻率特性 圖1-5中，所示在低于 r

6、ad/s時，開環(huán)幅頻特性呈現積分環(huán)節(jié)的特性。另外，由于純延遲環(huán)節(jié)的存在，使相位出現了很大的延遲，圖中，紅色部分為加入純延遲環(huán)節(jié)后的相頻特性，而蘭色部分為未加純延遲環(huán)節(jié)的相頻特性。圖1-7 加入純延遲環(huán)節(jié)對相頻特性的影響我們可以從圖1-7看出，系統(tǒng)開環(huán)截止頻率為6.58e3 rad/s，此時的相位延遲大約為-101度。1.1.5 電流環(huán)控制器設計從圖1-7中可以看出，受控對象的截止頻率為6.58e3 rad/s，大約為1.1kHz左右，而且此時相位滯后比較嚴重。如果再加控制器中的一個積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)就變得不穩(wěn)定了。為了對相位進行補償，我們必須增加零點或者微分環(huán)節(jié)。當采用這種結構的控制器時，我們先設

7、計零極點，再設計比例系數。選擇電流環(huán)的截止頻率為1.5kHz（9000 rad/s），若要滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須使相角裕度>0，在這里留一定的余量，選擇=30度。從圖1-6中，我們可以看到開環(huán)系統(tǒng)在1.5kHz時的相角為=-105度左右。所以，加入調節(jié)器以后，其相角為。 則45其中，為零、極點對相角的補償量。為了使系統(tǒng)以-20 dB的斜率穿過零分貝線，則必須使零點小于截止頻率，而極點大于截止頻率。初選零點為4000 rad/sec，則可以算出在1.5kHz時，零點的補償相角為62度。?選擇極點為22000 rad/sec ,則可以算出在1.5kHz時，極點的滯后相角為-17度。?所以，=

8、 45 ,恰好滿足需求。另外，可以選擇K=50000，使開環(huán)系統(tǒng)的截止頻率在1.6kHz附近。所以，調節(jié)器的傳遞函數為：?比例系數會對截止頻率產生影響,即相位余量會不一樣 （1-5）經過校正以后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數的頻率特性為：圖1-8 校正前后的頻率特性（蘭色為校正前，紅色為校正后）通過以前數字控制的經驗，在市電過零時，由于電流給定的變化速度很快，此時，電流環(huán)的跟蹤特性會變差，這也是由于其電流環(huán)的響應速度慢所致，為了進一步加快電流環(huán)的響應，我們一般在程序中增加一預測環(huán)節(jié)： 通過上次的值及本次的采樣值，對下一次的值進行預測。本文按照圖1-5所示的結構，并利用（1-5）的調節(jié)器，對電流環(huán)設計進行

9、了初步仿真，其波形如下：圖1-8 電流環(huán)單位階躍響應圖1-9 加入預測環(huán)節(jié)時，正弦電流給定時的電流環(huán)響應穩(wěn)態(tài)曲線圖1-10 未加電流預測環(huán)節(jié)時的響應曲線 從圖1-8可以看出，在階躍響應下，電流環(huán)的響應超調比較嚴重，但是為了滿足其快速響應特性，我們可以通過調節(jié)器輸出濾波及軟起操作來減小超調。從圖1-9中可以看出，在正弦電流給定下，電流環(huán)能夠較好的跟蹤給定電流的相位和幅值。而圖1-10中，由于未加預測環(huán)節(jié)，使電流在過零處不能很好的跟蹤其給定的變化。其主要原因是在電流過零處，給定的變化較快，電流環(huán)的響應速度未跟上其變化的速度。但是加入了預測環(huán)節(jié)以后，能夠加快電流環(huán)的響應，從而使電流環(huán)在過零點附近能夠

10、很好的跟蹤其給定的變化。1.2 電壓環(huán)的設計1.2.1 電感電流到輸出電壓傳遞函數根據小信號模型，可知電感電流到輸出電壓的傳遞函數為：= （1-6）其中，以3K/220V為例，=350V，= 110/360 = 0.3056，= 515uH，= 940uF，假設效率=92%，則可以算出等效負載電阻為：93.9 （1-7）其幅頻特性如下圖所示：圖1-11 電感電流到輸出電壓幅頻特性 從圖1-11可以看出，正實零點對開環(huán)系統(tǒng)幅頻特性的影響與負實零點相同。同時，我們可以看出，負實零點的頻率很高，由于我們在設計電壓環(huán)的時候，一般都將電壓調節(jié)器的頻率設置的很低。這主要考慮到如下幾個原因：Ø 計

11、算電流環(huán)給定時，其乘法器在信號的輸入頻率大于25Hz時，其非線性非常嚴重；?Ø 為了降低電感電流的THDi，必須使電壓調節(jié)器的輸出盡可能的平滑，這就要求電壓調節(jié)器的輸出截止頻率要低，即使加入RP濾波器，一般也在30Hz以下。 基于以上考慮，我們可以看出，由于電壓環(huán)的截止頻率很低，我們完全可以忽略其正實零點對系統(tǒng)幅頻特性的影響，將傳遞函數等效為：（1-8）經過等效以后的頻率特性為：圖1-12 等效以后的頻率特性從1-12可以看出，正零點對系統(tǒng)的相位有延遲作用，但是當頻率在小于1000rad/sec時，其滯后作用可以忽略（大概為3度左右）。所以，其開關傳遞函數完全可以等效為一個帶低頻極點

12、的慣性環(huán)節(jié)，如式（1-8）所示。1.2.2 電流環(huán)的等效傳遞函數由于電流環(huán)的截止頻率很高（大約在1.3KHz左右），相對于電壓環(huán)來說，電流環(huán)就相當于一個跟隨器，它實時跟蹤電壓環(huán)的輸出。所以，忽略電流環(huán)的延遲特性，將整個電流環(huán)等效為一個比例環(huán)節(jié)，其比例系數就是其電流環(huán)的反饋系數的倒數：? （1-9）1.2.3 電壓反饋通道傳遞函數電壓反饋通道的采樣回路有一定的延遲，但是，由于電壓環(huán)的截止頻率很低，所以，完全可以將此延遲忽略，而將電壓反饋通道等效為一個比例環(huán)節(jié)。經過折算，電壓反饋通道的比例系數為： （1-10）1.2.4 電壓環(huán)的延遲在數字化控制中，對于電壓環(huán)的計算是每隔N個開關周期進行一次，例如

13、Playmoblie程序是每隔12個周期進行一次。由于電壓環(huán)的輸出具有零階保持作用，這里將此等效為一延遲環(huán)節(jié)： （1-11）1.2.5 乘法器的傳遞函數在計算電流環(huán)給定中，用到了乘法器，會給系統(tǒng)帶來非線性的因素。所以，我們必須將乘法器進行線性化處理。實際上，在乘法器輸入頻率小于25Hz時，其可以等效為一個比例環(huán)節(jié)。? （1-12）1.2.7 電壓環(huán)調節(jié)對象開環(huán)傳遞函數根據前面的分析，我們可以得到電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數為：= （1-11）其開環(huán)傳遞函數的頻率特性如下：圖1-13 開環(huán)傳遞函數的頻率特性如圖1-13可知，在未加調節(jié)器之前，系統(tǒng)的截止頻率為63.4rad/sec（約為10Hz），此時，系統(tǒng)的相角為：。1.2.8 電壓環(huán)控制器設計采用控制器結構為：由前面的分析可知，在未加入控制器時，系統(tǒng)的開關傳