調(diào)數(shù)字PFC控制器為電機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)勢升級(jí)

功率因數(shù)校正（PFC）對(duì)于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來說越來越重要，這在很大程度上是因?yàn)楣灿檬聵I(yè)公司一端加強(qiáng)諧波含量監(jiān)管所導(dǎo)致的；其他附帶好處包括：效率、電壓質(zhì)量和導(dǎo)體額定值。與模擬器件相比，數(shù)字PFC控制器成本更高，且可能更復(fù)雜。但是，如果考慮到主電機(jī)控制處理器的功能，則數(shù)字PFC能為整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大的附加價(jià)值。

本文強(qiáng)調(diào)數(shù)字PFC控制器在整體系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和時(shí)序方面為工程師帶來的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢。該控制器在真實(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)上的部署以圖例和/或圖形表示，并顯示硬件以及軟件框架，同時(shí)輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

簡介

功率因數(shù)校正（PFC）對(duì)于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來說越來越重要。這主要是因?yàn)楣檬聵I(yè)公司一端加強(qiáng)諧波含量監(jiān)管所導(dǎo)致的。但部署PFC也有好的一面，比如改善整體系統(tǒng)效率、導(dǎo)體額定值和分配電壓質(zhì)量；這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于工業(yè)環(huán)境下的其他負(fù)載（如直接在線感應(yīng)電機(jī)和變壓器）可能是很重要的。PFC可以使用有源電路拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)，比如單相或三相升壓型整流器，或者通過無源方式實(shí)現(xiàn)；后者需正確使用低頻電感和電容，以便形成交流線路電流包絡(luò)。兩種形式的PFC均試圖重現(xiàn)正弦或近似正弦的線路電流，并與線路電壓同相，從而最大程度減少來自公用事業(yè)公司、產(chǎn)生損耗的諧波電流和無功功率流。有源和無源PFC之間的權(quán)衡取舍與成本、無源元件權(quán)重和數(shù)量，以及PFC相關(guān)損耗有關(guān)。

在單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，有源PFC使用廣泛。對(duì)于三相系統(tǒng)而言，無源諧波校正使用更廣，且三相線路上通常含有50 Hz或60 Hz大電感，或者在整流器的直流側(cè)含有單個(gè)電感。然而，在較高功率下使用有源PFC能獲得某些優(yōu)勢。有源PFC解決方案（直流或交流側(cè)）可提供最優(yōu)電感尺寸、更低的功率損耗、重量和最佳功率因數(shù)。

在單相應(yīng)用中（比如低功耗電機(jī)驅(qū)動(dòng)），默認(rèn)使用如圖1所示的整流器輸入升壓轉(zhuǎn)換器。

這些器件通常在50 kHz至100 kHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行開關(guān)，因而相比無源解決方案需要使用較小的直流側(cè)電感。對(duì)于三相系統(tǒng)而言，單開關(guān)拓?fù)淇梢园涣骰蛑绷鱾?cè)高頻電感。實(shí)現(xiàn)PFC控制的一個(gè)障礙是使用PFC電路和PFC控制器導(dǎo)致成本上升。系統(tǒng)內(nèi)處理器處于隔離柵安全超低電壓（SELV）側(cè)的情況尤為如此。這種情況下，從主電機(jī)控制處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)PFC控制會(huì)增加復(fù)雜程度與成本，因?yàn)樾鑼⒔涣鱾?cè)測量結(jié)果和控制信號(hào)與處理器I/O和ADC相隔離。此外，若要采用通常針對(duì)10 kHz至20 kHz PWM頻率的電機(jī)控制應(yīng)用服務(wù)優(yōu)化的處理器來實(shí)現(xiàn)50 kHz至100 kHz PWM控制就有點(diǎn)難度了。

這種情況下，一種選擇是使用一個(gè)廉價(jià)的模擬PFC控制器（比如UC3854），并使其完全獨(dú)立于主系統(tǒng)控制器工作。但是，使用一個(gè)數(shù)字PFC控制器（比如ADP1047）并搭配電機(jī)控制處理器和數(shù)字隔離器，便可實(shí)現(xiàn)增值。然后，處理器可將部分時(shí)序、監(jiān)控和保護(hù)功能交由PFC控制器負(fù)責(zé)，增強(qiáng)整體系統(tǒng)功能，同時(shí)降低成本。這種配置的好處如下：

X 啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)序

X 系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)信息

X 用戶界面顯示信息

X 異常條件監(jiān)控

X 最大程度降低傳感器要求

X 備份測量/冗余

X 用作整體系統(tǒng)故障保護(hù)的一部分

X 控制器優(yōu)化（通過效率）

圖2顯示了典型數(shù)字PFC控制器的系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和時(shí)序能力。將諸如ADP1047器件集成功能置于主處理器的控制與監(jiān)控之下，這樣做的優(yōu)勢從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度而言是非常明顯的?？梢越档涂傁到y(tǒng)成本、復(fù)雜度并減少傳感器數(shù)量，哪怕PFC控制器自身的成本可能要高于其模擬器件。

硬件平臺(tái)

ADI提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用來在真實(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)中驗(yàn)證信號(hào)鏈元件和軟件工具。 該平臺(tái)的電路架構(gòu)如圖3所示，平臺(tái)硬件如圖4所示。

該系統(tǒng)表示一個(gè)功能完整的PMSM市電輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有功率因數(shù)校正、完全控制、通信信號(hào)隔離和光學(xué)編碼器反饋功能。該系統(tǒng)的核心是ARM?Cortex?-M4混合信號(hào)控制處理器，即ADI的ADSP-CM408。由ADP1047來執(zhí)行PFC前端控制，該器件集成精密輸入功率計(jì)量功能和浪涌電流控制。ADP1047設(shè)計(jì)用于單相PFC應(yīng)用，ADP1048則特別針對(duì)交錯(cuò)式和無電橋PFC應(yīng)用而設(shè)計(jì)。數(shù)字PFC功能基于傳統(tǒng)的升壓PFC與輸出電壓反饋的乘法運(yùn)算，并結(jié)合輸入電流和電壓來為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)換到數(shù)字域以提供最大的靈活性，并且關(guān)鍵參數(shù)都可以通過PMBus接口提供報(bào)告和調(diào)整。ADP1047/ADP1048允許用戶優(yōu)化系統(tǒng)性能，最大程度地提高負(fù)載范圍內(nèi)的效率，并縮短設(shè)計(jì)上市時(shí)間。靈活的數(shù)控PFC引擎與精確的輸入功率計(jì)量功能的完美結(jié)合有利于智能電源管理系統(tǒng)的采用，從而利用其智能決策能力提高終端用戶的系統(tǒng)效率。在輕負(fù)載時(shí)，該器件支持以編程方式降低頻率，并能降低輸出電壓，從而進(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)控制功能的集成使元件數(shù)量顯著減少，并使優(yōu)化設(shè)計(jì)更輕松。該器件針對(duì)高可靠性、冗余電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有廣泛、魯棒的保護(hù)電路。它們還具備獨(dú)立過壓保護(hù)（OVP）和過流保護(hù)（OCP）、接地連續(xù)性監(jiān)控和交流檢測。同時(shí)提供內(nèi)部過溫保護(hù)（OTP），外部溫度則可以通過外部檢測器件記錄。

系統(tǒng)工作原理

通過I2C/PMBus接口實(shí)現(xiàn)處理器與PFC控制器的通信，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

內(nèi)，PFC控制器參考高壓域內(nèi)的直流總線通用電軌。三相逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)信號(hào)通過雙通道隔離器，從處理器PWM模塊路由輸出。I2C接口的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)以及通用數(shù)字信號(hào)同樣通過數(shù)字隔離器路由。

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)控制軟件的流程中分流至低優(yōu)先級(jí)的程序中，如圖6所示。PFC控制器參數(shù)在啟動(dòng)期間配置。如果已有該功能，則通常可以通過將配置參數(shù)寫入控制器IC的EEPROM存儲(chǔ)器而跳過該步驟。如圖6所示，在典型電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度和電流測量以及PWM控制器更

新將作為高優(yōu)先級(jí)中斷處理，而電流測量與PWM信號(hào)同步?？稍O(shè)置PFC控制器以便處理輸入側(cè)測量，比如輸入交流線路電壓和電流、直流總線電壓、輸入功率、PFC電路溫度。這些測量對(duì)于電機(jī)控制算法而言不算關(guān)鍵，不過直流總線電壓測量對(duì)于無傳感器算法可能比較重要。但這些測量對(duì)于整體系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控和控制器優(yōu)化而言比較重要。它們可以進(jìn)而由低優(yōu)先級(jí)I2C數(shù)據(jù)處理任務(wù)或中斷例程請(qǐng)求和處理，并且計(jì)劃速率匹配系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)間常數(shù)。

圖7所示為平臺(tái)的Micrium Probe?用戶界面，其中直流總線基準(zhǔn)電壓設(shè)為250 V。可以清楚看到交流和直流側(cè)的監(jiān)控變量以及電機(jī)控制。

結(jié)論

由此節(jié)省的額外傳感器、數(shù)字I/O和處理器上的模擬引腳，以及調(diào)節(jié)和解釋測量變量的軟件開銷可能意味著處理器成本的下降，只要選擇性能較低的變體，或者釋放處理器硬件和軟件空間供其他優(yōu)先級(jí)更高或系統(tǒng)增強(qiáng)型功能使用就可以實(shí)現(xiàn)。本例中，相對(duì)于交流線路電壓的系統(tǒng)啟動(dòng)序列，直流總線欠壓、過壓和交流側(cè)過流保護(hù)均通過PFC控制器實(shí)現(xiàn)。然而，必須謹(jǐn)慎地進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)橹骺刂铺幚砥鲬?yīng)始終由PFC控制器負(fù)責(zé)控制或保護(hù)，以便在受到副邊影響時(shí)不會(huì)獨(dú)立執(zhí)行操作。這種情況的一個(gè)例子便是PFC控制器由于直流總線瞬變過壓（比如因?yàn)殡姍C(jī)制動(dòng)事件）而經(jīng)歷了一次全局PWM信號(hào)禁用。如果控制器未能檢測到該事件，則它將試圖調(diào)節(jié)PWM輸出（不會(huì)成功）以保持工作點(diǎn)。如果PFC控制器在過壓瞬變消失后重新使能PWM，則系統(tǒng)可能會(huì)由于PWM占空比的突然大幅增加而出現(xiàn)副邊故障。因此，管理PFC控制器與電機(jī)控制處理器之間的保護(hù)通信和時(shí)序時(shí)必須非常仔細(xì)。

總之，若在較低成本的模擬PFC控制器與更為昂貴的數(shù)字控制器之間選擇，那么潛在的權(quán)衡取舍就應(yīng)當(dāng)不僅根據(jù)PFC電路自身進(jìn)行評(píng)估，還應(yīng)考慮數(shù)字控制器更強(qiáng)大的功能所帶來的潛在系統(tǒng)級(jí)功能、增強(qiáng)性和成本的下降。本文旨在強(qiáng)調(diào)部分關(guān)鍵系統(tǒng)級(jí)增強(qiáng)特性，使用了ADP1047以及單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為示例。