基于Nios II的Boost型功率因數校正系統研究

摘要：分析了基于雙環(huán)Boost型功率因數校正(PFC)的控制原理及小信號模型，建立了基于PI調節的Boost型PFC控制系統。由于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)可將Nios II軟核處理器及PWM等外設集成到系統主控芯片，從而使系統具有控制精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎上，設計了基于Nios II的Boost-PFC硬件電路，并搭建了相應的實(shí)驗平臺進(jìn)行系統實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，該系統校正后的功率因數高，達到了理論設計要求。
關(guān)鍵詞：功率因數校正；數字控制；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列

1 引言
PFC技術(shù)是減小諧波污染問(wèn)題的有效方法之一。將PFC技術(shù)與數字控制技術(shù)相結合，實(shí)現數字化的PFC控制系統，已成為電力電子技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。隨著(zhù)微電子和半導體生產(chǎn)工藝的提高，多數集成電路設計已進(jìn)入片上可重構系統時(shí)代，從而使計算機進(jìn)入微控制領(lǐng)域成為現實(shí)。在此基礎上，新型電力電子功率器件不斷出現，使得采用全控制的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行PWM控制方式成為主流。傳統PWM控制大多采用單片機及高性能的DSP來(lái)實(shí)現，但由于單片機內部系統體系結構和計算功能等條件有限，使其在實(shí)現高效控制算法等方面遇到了困難。而DSP需要使用大量的外圍電路，并且系統的可升級性較差。
EDA技術(shù)不斷發(fā)展，使得基于FPGA的數字系統為PFC系統的控制提供了一種新的有效方法。該方法就是在PFC系統中，將Nios II及PWM等外設集成到系統主控芯片EP2C8Q208C8型FPGA內，使得系統體積更小，成本低，可靠性高，更適合嵌入式系統的要求，而且具有現場(chǎng)可編程性，能夠進(jìn)行升級換代，具有廣闊的應用前景。

2 Boost型功率因數校正系統原理及建模
2．1 系統總體控制方案
Boost PFC電路是現在應用最廣泛的有源PFC電路，具有功率因數值高，總諧波失真小，效率高的優(yōu)點(diǎn)。該系統采用平均電流控制方式，工作在電感電流連續狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小，應用FPGA數字芯片，其相對較復雜的控制也能較好地實(shí)現。為實(shí)現控制策略，系統需檢測整流輸入電壓Uin，輸入電感電流Iin和直流輸出電壓Uo。瞬時(shí)信號Uin，Iin，Uo分別從主電路上得到檢測，并經(jīng)信號調理電路送至AD7874的3條A／D轉換通道。經(jīng)過(guò)數字化采樣后的Uo信號與輸出參考電壓信號Uref進(jìn)行比較，信號差送入電壓外環(huán)的PI調節器。該環(huán)節傳遞函數的輸出與Uin采樣值相乘，生成電流內環(huán)所必需的參考電流值Iref。Iin經(jīng)數字采樣后，與Iref進(jìn)行比較，運算結果送入電流內環(huán)PI調節器。該PI調節器輸出送入PWM比較器，與三角波信號比較產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號的占空比，最后通過(guò)驅動(dòng)電路產(chǎn)生驅動(dòng)信號控制開(kāi)關(guān)管的通斷，實(shí)現電路的PFC，系統結構如圖1所示。

2．2 Boost PFC模型建立
為實(shí)現Boost PFC的雙環(huán)PI數字控制，系統采用簡(jiǎn)化的小信號模型建模。要得到Boost變換器的小信號模型，首先要得到平均法模型，然后進(jìn)行小信號擾動(dòng)分析。先分別對開(kāi)關(guān)S導通時(shí)的電感電壓和開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)的電容電流進(jìn)行積分，再除以周期Ts，即可得到它們在一個(gè)Ts內的平均模型，加入擾動(dòng)并忽略高階項，可得該電路的動(dòng)態(tài)小信號模型為：

式(2)中第1式中d(s)Uo，(1-D)uo(s)，量很??；式(2)中第2式中d(s)I，(1-D)i(s)量很小，將其忽略，即可得到電感電流和輸出電壓對脈寬變化的傳遞函數：

此處電壓環(huán)和電流環(huán)調節均采用經(jīng)典PI調節器，其結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，將式(3)兩式進(jìn)行Z變換可分別得到電流和電壓環(huán)的離散數學(xué)模
型，由此可根據系統要求分別求出電流環(huán)PI參數和電壓環(huán)PI參數。用VHDL語(yǔ)言在FPGA中編寫(xiě)PI控制器程序，由于其軟件設計的靈活性，PI調
節參數能不斷得到修正和改進(jìn)。

3 基于NiosⅡ的Boost-PFC硬件電路
主電路采用Boost拓撲結構，其特點(diǎn)為輸入電流連續，傳導噪聲低及良好的輸入波形。在主電路中，電流和電壓檢測采用霍爾元件實(shí)現，經(jīng)處理后送入A／D采樣單元。驅動(dòng)電路采用TLP250實(shí)現主電路與FPGA之間的隔離，保證了功率器件的可靠關(guān)斷。
3．1 NiosⅡ嵌入式硬件系統構建
EP2C8Q208C8型FPGA資源配置豐富，在該芯片上可嵌入Nios II軟核處理器。實(shí)驗證明嵌入的Nios II軟核主頻可平穩運行在120 MHz，可滿(mǎn)足PFC系統要求。
實(shí)驗采用QuartusII 9．0作為硬件開(kāi)發(fā)平臺，利用SOPC Builder工具構建Nios II嵌入式硬件系統，SOPC Builder允許用戶(hù)選擇和自定義系統模塊的各個(gè)組件和接口。用戶(hù)可以很方便地將處理器、存儲器和其他外設模塊連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統。在此先后將CPU，SDRAM模塊和EPCS控制器等IP核添加到系統中，從而構建了一個(gè)標準的Nios II最小系統。
最小系統建立后，根據PFC系統要求，還需定制PWM外設。在PFC系統中，系統經(jīng)A／D前端處理及A／D轉換后送入Nios II中進(jìn)行運算，其輸出再經(jīng)過(guò)PWM比較器加到驅動(dòng)電路上，以控制開(kāi)關(guān)管導通和關(guān)斷，從而使輸入電流的波形與輸入電壓波形基本一致，使電流諧波減少，提高了輸入端的功率因數。在自定制PWM外設時(shí)，先用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)PWM外設文件，編寫(xiě)完畢后對代碼進(jìn)行編譯和仿真。
驗證正確后，將其加入SOPC Builder中，做為Avalon外設，之后SOPC Builder生成整個(gè)Nios II嵌入式硬件系統。用Quartus II軟件編譯SOPC硬件系統，生成FPGA的配置文件，將其下載到開(kāi)發(fā)板中的串行電可擦除Flash存儲芯片中，便完成了系統硬件平臺設計。
3．2 A／D采樣控制電路
在PFC系統中需采樣輸入電壓、輸入電流和輸出電壓3路實(shí)時(shí)信號，故需要3通道A／D轉換器，而AD7874是4通道12位同步數據采集器，其特性可滿(mǎn)足該系統要求，故選擇AD7874作為采樣控制器。在A(yíng)／D采樣控制中，用Nlos II作為主處理器，主要完成數據和信息的收集和轉發(fā)功
能，用FPGA對采集的信號做預處理，并將數據存儲在高速FIFO中，從而實(shí)現數據的高速采集和目標提取，A／D采樣電路框圖如圖2所示。

4 軟件系統
系統硬件平臺設計完成后，在Nios II 9．0 IDE軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)系統嵌入式應用軟件，系統嵌入式軟件流程如圖3所示。

該系統中，Nios II程序的任務(wù)是在規定的控制周期內，通過(guò)預先設定的值得到控制任務(wù)及控制參數，同時(shí)接收A／D采樣控制電路的反饋信號，再經(jīng)過(guò)CPU計算和處理后得到糾正的PWM控制參數并傳達給PWM模塊，最后由PWM模塊輸出相應的PWM信號以實(shí)現PFC系統的閉環(huán)PWM控制。

5 系統的實(shí)驗結果
通過(guò)控制分析和參數確定，對用EP2C8Q208C8型FPGA作為主控芯片的數字功率因數校正器進(jìn)行了實(shí)驗。此實(shí)驗交流輸入電壓為220 V／50Hz，功率器件開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz，輸出電壓經(jīng)升壓后為380 V。用示波器分別測量了校正前、后的波形，結果如圖4所示?？梢?jiàn)，輸入電流無(wú)論是波形還是相位都基本跟蹤了輸入電壓波形，功率因數達到0．98以上，得到了較為滿(mǎn)意的結果。

6 結論
此處主要圍繞PFC的數字化控制進(jìn)行了研究，著(zhù)重介紹了平均電流型Boost PFC電路，建立了平均電流控制電壓環(huán)、電流環(huán)的小信號數學(xué)模型，提出了設計思路，并設計了基于片上系統的數字控制方案，完成了實(shí)驗樣機的制作。測試結果表明，該系統控制精度高，功率因數值達到0．98以上，滿(mǎn)足了理論設計的要求，并驗證了此數字控制方案的可行性。
基于Nios II設計的PFC系統，設計周期短，集成度高，靈活性大，維護和升級方便，硬件缺陷修復和排除簡(jiǎn)單，具有很好的移植性，用戶(hù)可根據需要對該模塊的設計思想進(jìn)行修改。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用嵌入式對PFC系統進(jìn)行控制是一種新發(fā)展趨勢。