数字PFC控制：实现电机控制系统监控的增值

简介

功率因数校正(PFC)对于工业电机驱动来说越来越重要。这主要 是因为公用事业公司一端加强谐波含量监管所导致的。但部署 PFC也有好的一面,比如改善整体系统效率、导体额定值和分配 电压质量;这些优点对于工业环境下的其他负载(如直接在线感 应电机和变压器)可能是很重要的。PFC可以使用有源电路拓扑 来实现,比如单相[1]或三相升压型整流器[2],或者通过无源方 式实现;后者需正确使用低频电感和电容,以便形成交流线路 电流包络。两种形式的PFC均试图重现正弦或近似正弦的线路 电流,并与线路电压同相,从而最大程度减少来自公用事业公 司、产生损耗的谐波电流和无功功率流。有源和无源PFC之间的 权衡取舍与成本、无源元件权重和数量,以及PFC相关损耗 有关。

在单相电机驱动中,有源PFC使用广泛。对于三相系统而言, 无源谐波校正使用更广,且三相线路上通常含有50 Hz或60 Hz大电 感,或者在整流器的直流侧含有单个电感。然而,在较高功率 下使用有源PFC能获得某些优势。有源PFC解决方案(直流或交流侧)可提供最优电感尺寸、更低的功率损耗、重量和最佳功 率因数。
在单相应用中(比如低功耗电机驱动),默认使用如图1所示的整流 器输入升压转换器。

图1. 单相升压PFC电路。

这些器件通常在50 kHz至100 kHz频率范围内进行开关,因而相 比无源解决方案需要使用较小的直流侧电感。对于三相系统而 言,单开关拓扑可以包含交流或直流侧高频电感。

实现PFC控制的一个障碍是使用PFC电路和PFC控制器导致成本 上升。系统内处理器处于隔离栅安全超低电压(SELV)侧的情况 尤为如此。这种情况下,从主电机控制处理器内部实现PFC控 制会增加复杂程度与成本,因为需将交流侧测量结果和控制信 号与处理器I/O和ADC相隔离。此外,若要采用通常针对10 kHz至 20 kHz PWM频率的电机控制应用服务优化的处理器来实现50 kHz 至100 kHz PWM控制就有点难度了。

这种情况下,一种选择是使用一个廉价的模拟PFC控制器(比如 UC3854[3]),并使其完全独立于主系统控制器工作。但是,使用 一个数字PFC控制器(比如ADP1047[4])并搭配电机控制处理器和数 字隔离器,便可实现增值。然后,处理器可将部分时序、监控 和保护功能交由PFC控制器负责,增强整体系统功能,同时降低 成本。这种配置的好处如下:

* 启动和关断时序
* 系统级状态信息
* 用户界面显示信息
* 异常条件监控
* 最大程度降低传感器要求
* 备份测量/冗余
* 用作整体系统故障保护的一部分 X 控制器优化(通过效率)

图2显示了典型数字PFC控制器的系统监控、保护和时序能力。 将诸如ADP1047器件集成功能置于主处理器的控制与监控之 下,这样做的优势从系统设计角度而言是非常明显的。可以降 低总系统成本、复杂度并减少传感器数量,哪怕PFC控制器自 身的成本可能要高于其模拟器件。

图2. 电机控制系统中的数字PFC控制器功能范围。

硬件平台

ADI提供实验平台,用来在真实电机控制系统中验证信号链元件和软件 工具。 该平台的电路架构如图3所示,平台硬件如图4所示。

图3. 通用交流输入电机控制平台。

图4. 电机控制平台硬件。

该系统表示一个功能完整的PMSM市电输入电机驱动,具有功率 因数校正、完全控制、通信信号隔离和光学编码器反馈功能。 该系统的核心是ARM?Cortex?-M4混合信号控制处理器,即ADI的 ADSP-CM408。由ADP1047来执行PFC前端控制,该器件集成精密 输入功率计量功能和浪涌电流控制。ADP1047设计用于单相PFC 应用,ADP1048则特别针对交错式和无电桥PFC应用而设计。数 字PFC功能基于传统的升压PFC与输出电压反馈的乘法运算,并 结合输入电流和电压来为AC/DC系统提供最佳的谐波校正和功 率因数。所有信号都转换到数字域以提供最大的灵活性,并 且关键参数都可以通过PMBus接口提供报告和调整。

ADP1047/ ADP1048允许用户优化系统性能,最大程度地提高负载范围内 的效率,并缩短设计上市时间。灵活的数控PFC引擎与精确的输 入功率计量功能的完美结合有利于智能电源管理系统的采用, 从而利用其智能决策能力提高终端用户的系统效率。在轻负载 时,该器件支持以编程方式降低频率,并能降低输出电压,从而进一步提高效率。ADP1047/ADP1048提供增强的集成特性和功 能;浪涌电流和软启动控制功能的集成使元件数量显著减少, 并使优化设计更轻松。该器件针对高可靠性、冗余电源应用而 设计,具有广泛、鲁棒的保护电路。它们还具备独立过压保护 (OVP)和过流保护(OCP)、接地连续性监控和交流检测。同时提供 内部过温保护(OTP),外部温度则可以通过外部检测器件记录。