數(shù)字PFC控制：為電機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控增加價(jià)值

功率因數(shù)校正（PFC）對(duì)于主要工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器越來越重要，因?yàn)槭须妭?cè)對(duì)諧波含量的調(diào)節(jié)增加，以及與效率、電壓質(zhì)量和導(dǎo)體額定值相關(guān)的額外附帶好處。數(shù)字PFC控制器比模擬控制器成本更高，而且可能更復(fù)雜。但是，當(dāng)與主電機(jī)控制處理器的功能一起考慮時(shí)，它們可以提供重要的價(jià)值并增加整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景。本文重點(diǎn)介紹數(shù)字PFC控制器在工程師的整體系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和排序環(huán)境中提供的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)通過硬件和軟件框架方面的數(shù)字和/或圖表顯示，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

功率因數(shù)校正（PFC）對(duì)于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器變得越來越重要。這主要是由于公用事業(yè)方面對(duì)諧波含量的監(jiān)管增加。然而，從整體系統(tǒng)效率提高、導(dǎo)體額定值和配電電壓質(zhì)量提高的角度來看，實(shí)施PFC也有充分的理由，這對(duì)于工業(yè)環(huán)境中的其他負(fù)載（例如直接在線感應(yīng)電機(jī)和變壓器）可能很重要。PFC可以通過有源電路拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)，例如單相[1]或3相升壓整流器[2]或通過無源方法，其中涉及明智地使用低頻電感器和電容器來塑造交流線路電流包絡(luò)。兩種形式的PFC都試圖重現(xiàn)正弦或近似正弦線路電流，與線路電壓同相，從而最大限度地減少產(chǎn)生諧波電流和來自公用事業(yè)的無功功率流的損耗。主動(dòng)和被動(dòng)PFC之間的權(quán)衡與成本、被動(dòng)元件重量、體積和PFC相關(guān)損耗有關(guān)。

在單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，主動(dòng)式PFC通常被公平接受。對(duì)于三相系統(tǒng)，無源諧波校正目前更受歡迎，通常涉及三相線路中的50 Hz至60 Hz大電感，或整流器直流側(cè)的單個(gè)電感。然而，在更高功率下轉(zhuǎn)向有源PFC具有優(yōu)勢(shì)。有源PFC解決方案（直流或交流側(cè)）在電感尺寸、更低的功率損耗、更輕的重量和最佳的功率因數(shù)方面提供了最佳解決方案。

在單相應(yīng)用中，如低功耗電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，整流器輸入升壓轉(zhuǎn)換器（如圖1所示）是默認(rèn)設(shè)置。

圖1.單相升壓PFC電路。

這些器件的開關(guān)頻率通常在50 kHz至100 kHz范圍內(nèi)，因此需要比無源解決方案小得多的直流側(cè)電感。對(duì)于三相系統(tǒng)，可以使用涉及交流側(cè)或直流側(cè)高頻電感器的單開關(guān)拓?fù)洹?/p>

實(shí)施PFC控制的障礙之一是與PFC電路和PFC控制器相關(guān)的額外成本。在處理器位于隔離柵的安全超低電壓 （SELV） 側(cè)的系統(tǒng)中尤其如此。在這種情況下，由于需要將交流側(cè)測(cè)量和控制信號(hào)與處理器I/O和ADC隔離開來，因此從主電機(jī)控制處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)PFC控制可能會(huì)帶來額外的復(fù)雜性和成本。此外，從通常經(jīng)過優(yōu)化的處理器實(shí)現(xiàn) 50 kHz 至 100 kHz PWM 控制，以服務(wù)于 10 kHz 至 20 kHz PWM 頻率的電機(jī)控制應(yīng)用可能很難匹配。

在這種情況下，一種選擇是使用廉價(jià)的模擬PFC控制器，例如UC3854 [3]，并使其完全獨(dú)立于主系統(tǒng)控制器運(yùn)行。但是，通過將ADP1047 [4]等數(shù)字PFC控制器與電機(jī)控制處理器和數(shù)字隔離器結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)附加值。然后，處理器可以將部分排序、監(jiān)控和保護(hù)功能卸載到 PFC 控制器，并以更低的成本增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)功能。這種安排可用于以下方面：

啟動(dòng)和關(guān)斷排序

系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)信息

用戶界面顯示信息

監(jiān)測(cè)異常情況

最大限度降低傳感器要求

備份測(cè)量/冗余

作為整體系統(tǒng)故障保護(hù)的一部分

控制器優(yōu)化（通過效率）

典型數(shù)字PFC控制器部分的潛在系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和排序覆蓋范圍如圖2所示。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，在主處理器的控制和監(jiān)督下利用ADP1047等器件的集成功能的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。盡管PFC控制器本身可能比模擬控制器更昂貴，但總體系統(tǒng)成本、復(fù)雜性和傳感器數(shù)量可以降低。

圖2.電機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)字 PFC 控制器覆蓋范圍。

硬件平臺(tái)

ADI公司提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于在實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)中驗(yàn)證其信號(hào)鏈組件和軟件工具。該平臺(tái)的電路架構(gòu)如圖3所示，平臺(tái)硬件本身如圖4所示。

圖3.通用交流輸入電機(jī)控制平臺(tái)。

圖4.電機(jī)控制平臺(tái)硬件。

該系統(tǒng)代表功能齊全的PMSM電源輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有功率因數(shù)校正，完全控制，通信信號(hào)隔離和光學(xué)編碼器反饋。該系統(tǒng)的核心是ADI公司的ARMCortex-M4混合信號(hào)控制處理器ADSP-CM408。PFC前端控制由ADP1047執(zhí)行，具有精確的輸入功率計(jì)量功能和浪涌電流控制。ADP1047專為單相PFC應(yīng)用而設(shè)計(jì);ADP1048專為交錯(cuò)式和無橋PFC應(yīng)用而設(shè)計(jì)。數(shù)字PFC功能基于傳統(tǒng)的升壓PFC，將輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相乘，為AC/DC系統(tǒng)提供最佳的諧波校正和功率因數(shù)。所有信號(hào)都轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以提供最大的靈活性;所有關(guān)鍵參數(shù)均可通過PMBus進(jìn)行報(bào)告和調(diào)整???接口。ADP1047/ADP1048允許用戶優(yōu)化系統(tǒng)性能，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)最大限度地提高效率，并縮短設(shè)計(jì)上市時(shí)間。靈活的數(shù)字控制PFC引擎和精確的輸入功率計(jì)量相結(jié)合，有助于采用智能電源管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠做出決策以提高最終用戶系統(tǒng)效率。該器件通過在輕負(fù)載時(shí)可編程頻率降低和在輕負(fù)載時(shí)降低輸出電壓的能力，支持進(jìn)一步提高效率。ADP1047/ADP1048提供增強(qiáng)的集成特性和功能;浪涌電流和軟啟動(dòng)控制功能可顯著減少元件數(shù)量，并易于優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些器件專為高可靠性、冗余電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并具有廣泛而強(qiáng)大的保護(hù)電路。它們還具有獨(dú)立的過壓保護(hù) （OVP） 和過流保護(hù) （OCP）、接地連續(xù)性監(jiān)控和交流檢測(cè)。提供內(nèi)部過熱保護(hù)（OTP），可通過外部檢測(cè)設(shè)備記錄外部溫度。

系統(tǒng)操作

處理器和 PFC 控制器之間的通信通過 I2C/PMBus 接口，帶 I2C數(shù)字隔離器提供域之間的接口。如圖 5 所示。處理器位于 SELV 電氣域中，PFC 控制器以高壓域中的直流總線共軌為參考。三相逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)信號(hào)通過2通道隔離器從處理器PWM模塊路由。I 的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)2C接口和通用數(shù)字信號(hào)也通過數(shù)字隔離器進(jìn)行路由。

圖5.數(shù)字信號(hào)隔離。

PFC 控制器管理升壓 PFC 電路的控制和監(jiān)控。這些任務(wù)從主電機(jī)控制軟件工作流程卸載到低優(yōu)先級(jí)例程中，如圖6所示。PFC 控制器參數(shù)在啟動(dòng)期間配置。通常可以通過將配置參數(shù)寫入控制器IC上的EEPROM存儲(chǔ)器（如果具有此功能）來跳過此步驟。如圖6所示，在典型的電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度和電流測(cè)量以及PWM控制器更新將在高優(yōu)先級(jí)中斷中處理，其中電流測(cè)量與PWM信號(hào)同步。PFC 控制器可以設(shè)置為處理輸入側(cè)測(cè)量，例如輸入交流線路電壓和電流、直流總線電壓、輸入功率和 PFC 電路溫度。這些測(cè)量對(duì)于電機(jī)控制算法并不重要，無傳感器算法中的直流總線電壓測(cè)量可能除外。然而，它們對(duì)于整體系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控和控制器優(yōu)化非常重要。因此，可以在低優(yōu)先級(jí) I 內(nèi)請(qǐng)求和處理它們2C數(shù)據(jù)處理任務(wù)或中斷例程，并以調(diào)度速率與系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)間常數(shù)相匹配。

圖6.主電機(jī)控制程序結(jié)構(gòu)。

微粒探針?該平臺(tái)的用戶界面如圖7所示，其中直流總線基準(zhǔn)電壓已設(shè)置為250 V。交流和直流側(cè)變量的監(jiān)控與電機(jī)控制相結(jié)合，清晰可見。

圖7.用戶界面。

結(jié)論

隨之而來的處理器上額外傳感器、數(shù)字 I/O 和模擬引腳的節(jié)省，以及測(cè)量變量縮放和解釋的軟件開銷，可能意味著處理器成本的降低，因?yàn)槟軌蜻x擇性能較低的變體，或者為其他產(chǎn)品釋放處理器硬件和軟件占用空間， 更高優(yōu)先級(jí)或系統(tǒng)增強(qiáng)功能。

在本例中，系統(tǒng)相對(duì)于交流線路電壓的啟動(dòng)時(shí)序、直流母線欠壓、過壓和交流側(cè)過流保護(hù)均由PFC控制器處理。但是，在這方面，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須謹(jǐn)慎，因?yàn)橹骺刂铺幚砥鲬?yīng)始終了解PFC控制器正在采取的控制或保護(hù)操作，以便它不會(huì)因次要影響而采取獨(dú)立操作。一個(gè)很好的例子是，由于直流總線上的瞬態(tài)過壓，例如電機(jī)制動(dòng)事件，PFC控制器可能會(huì)對(duì)PWM信號(hào)執(zhí)行全局禁用。如果控制器沒有意識(shí)到這一點(diǎn)，它將繼續(xù)嘗試調(diào)整PWM輸出以保持其工作點(diǎn)，但未成功。如果PFC控制器在過壓瞬變消失后重新啟用PWM，則由于PWM占空比突然大幅增加，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)展到次級(jí)故障。因此，在管理PFC控制器和電機(jī)控制處理器之間的保護(hù)和排序通信時(shí)必須小心。

總之，選擇低成本模擬PFC控制器和更昂貴的數(shù)字控制器之間的潛在權(quán)衡不僅應(yīng)根據(jù)PFC電路本身進(jìn)行評(píng)估，還應(yīng)考慮數(shù)字控制器更高級(jí)功能可以利用的潛在系統(tǒng)級(jí)功能、增強(qiáng)功能和成本降低。本文試圖以采用單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的ADP1047為例，重點(diǎn)介紹其中的一些關(guān)鍵系統(tǒng)級(jí)增強(qiáng)功能。

審核編輯：郭婷