一種改進(jìn)的DSP固定點(diǎn)采樣算法

摘要：高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的振蕩對數字采樣有一定的影響，以Boost型PFC電路為例，分析了受影響區間，進(jìn)而提出線(xiàn)性外推的改進(jìn)算法。最后把此算法運用到一個(gè)實(shí)驗模型中，實(shí)驗結果證明了該算法的有效性。關(guān)鍵詞：數字信號處理；功率因數校正；采樣算法

圖1Boost型的PFC原理圖

1引言

電力電子裝置中采用的PWM技術(shù)由于能有效地抑制諧波，動(dòng)態(tài)響應好，使變流器的可靠性大大提高。工作頻率越高，上述優(yōu)點(diǎn)就越突出。 PFC的反饋調節一般采用PWM技術(shù)。PWM技術(shù)要求功率電路具有高的工作頻率，因而對控制電路頻率也提出相應的要求。傳統的模擬控制已逐漸由具有處理速度快、靈活、精確、可靠等優(yōu)點(diǎn)的數字控制所取代。具有高速處理平臺的數字信號處理器（DSP）是一個(gè)較理想的選擇。采用DSP作為PFC的控制電路，概括已有的研究成果，作者認為：采用傳統的固定點(diǎn)采樣方法，由于開(kāi)關(guān)點(diǎn)的不確定，容易受開(kāi)關(guān)通斷動(dòng)作時(shí)所出現的高頻噪聲的影響，以至采樣準確度大受影響。為使受控系統能夠穩定工作，文獻[2]提出了跳過(guò)受影響的區間進(jìn)行采樣的算法,即不定點(diǎn)采樣算法，取得了不錯的效果。 本文針對開(kāi)關(guān)動(dòng)作對采樣的影響，詳細分析了存在的開(kāi)關(guān)振蕩區間，并給出其表達式。在此基礎上，提出針對該問(wèn)題的另一種解決辦法——線(xiàn)性外推的固定點(diǎn)采樣方法，并給出了采樣點(diǎn)的選取原則。將此算法用于一個(gè)實(shí)驗模型中，實(shí)驗結果證明了理論分析的正確性與線(xiàn)性外推算法的可行性。

2基于DSP的PFC控制策略

基于Boost的PFC原理如圖1所示。

有源校正的目的是，在滿(mǎn)足負載電壓為平穩的直流電壓前提下，通過(guò)PWM策略控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，使通過(guò)電感L的電流即網(wǎng)側電流具有近似正弦的波形，且與網(wǎng)側電壓相位相同，整個(gè)電路的功率因數接近1，具有功率因數校正的目的。

圖2含高頻諧振的采樣電流(5A/div）

傳統的采樣模擬控制，其控制部分如圖1中的虛線(xiàn)框所示，若用DSP，則該部分的功能由DSP及其外圍設備代替?？蛑械年P(guān)鍵部件為基準信號發(fā)生器（也稱(chēng)乘法器）。其輸入信號由反映輸出電壓精度的誤差信號和反映網(wǎng)側的電壓信號組成，其輸出作為控制開(kāi)關(guān)管的基準與反映電感電路iL的信號比較，進(jìn)行控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間。因此必須采樣輸入電壓Vin，輸入電流iL，和輸出電壓Vout。對它們不失真采樣是實(shí)現網(wǎng)側電流正弦，保持輸出電壓穩定的關(guān)鍵。一般的策略是：本開(kāi)關(guān)周期利用上一周期計算的開(kāi)關(guān)時(shí)間值控制開(kāi)關(guān)，利用本周期的采樣量計算下一周期的開(kāi)關(guān)時(shí)間，依次類(lèi)推。

3單周期單采樣方法的現狀

為了提高轉換器的開(kāi)關(guān)頻率，一般采用每周期采樣一次的方法。但由于開(kāi)關(guān)噪聲的存在，在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)總伴隨著(zhù)一定時(shí)間的高頻振蕩，如圖2所示。如果僅有的一次采樣剛好發(fā)生在振蕩區間，無(wú)疑將使采樣失真，直接影響電壓的穩定。事實(shí)上這種情況是存在的。

幾乎所有的脈寬調制電路的開(kāi)關(guān)點(diǎn)是不定的，這在PFC類(lèi)型的電路中尤為突出。因為其輸入是正弦波，有零到峰值的變化范圍，所以要保持輸出穩定，相對應的占空比必須有接近于1到0的變化范圍。這樣就會(huì )導致在某個(gè)時(shí)間段，采樣總會(huì )發(fā)生在高頻振蕩區間。文獻[2]采用一定的算法避開(kāi)此區間采樣，即不固定點(diǎn)采樣算法，取得了比較理想的控制效果。

4線(xiàn)性外推的采樣算法

設開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，定點(diǎn)采樣時(shí)間為χ，采樣時(shí)間為tsam，振蕩時(shí)間為tosc，占空比為D，Uinsinωt為輸入電壓，U0為輸出電壓。

4.1PWM調制的占空比分布

由于正弦波周期遠大于開(kāi)關(guān)周期，故可以直接運用Boost電路的直流增益公式=ωt≠0，π(1)D=1－sinωt(2)

圖3中，顯示了一個(gè)正弦脈沖中的占空比的變化情況。

4.2采樣到諧振信號的區間推導

可見(jiàn)，在一個(gè)脈沖周期內，占空比先由1變到0，再由0變到1。如果采用固定點(diǎn)采樣，將可能在兩個(gè)對稱(chēng)的區間上采樣到開(kāi)關(guān)諧振信號。由于對稱(chēng)，故只需求解0—π/2的區間。

由圖4可知，在0—π/2的區間中，可能采樣到開(kāi)關(guān)諧振信號的區間為

χ－toscDTχ＋tsam

結合式（2），此區間用角度表示為θ=arcsin〔(1－)〕－arcsin〔(1－)〕

(3)

因為θ′0，所以χ越大，θ越小。但為保證在T－χ時(shí)間內能夠完成下周期占空比的計算，不能太大。

4.3線(xiàn)性外推算法

當χ的取值盡可能大，同時(shí)又滿(mǎn)足T－χ時(shí)間內能完成計算任務(wù)，θ的取值一般在10°到20°之間?？?/P>

一種改進(jìn)的DSP固定點(diǎn)采樣算法

圖3脈沖波和相應占空比對比圖

圖4一個(gè)采樣周期的時(shí)間分布

()

POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS

Vol.5No.10

October2002

第5卷第10期

2002年10月

圖5算法流程圖

vin:150V/div,iin:10A/div,t:5ms/div圖6輸入電壓和電流波形

見(jiàn)，不確定采樣范圍很小，其斜率變化也不大，可以采用線(xiàn)性外推算法進(jìn)行糾正。一般開(kāi)關(guān)諧振幅值都比較大，我們可以預設一個(gè)較大的偏差值，當采樣值和線(xiàn)性外推值之差超出此預設偏差，就認為采樣發(fā)生在振蕩區間內，這時(shí)就用線(xiàn)性外推值代替采樣值，繼續計算。 算法流程為

雖然θ與高頻振蕩時(shí)間Tosc有關(guān)，但Tosc的估計偏差只會(huì )引起θ小范圍的變化，不會(huì )導致算法根本失效。

5實(shí)驗結果

將此算法運用到一個(gè)1kW的變換器中，選用比較常用的TMS320F240控制芯片?？紤]各方面因素，選用30kHz的開(kāi)關(guān)頻率，則開(kāi)關(guān)周期為33μs，因算法簡(jiǎn)單，計算下一周期占空比的時(shí)間不超過(guò)5μs，故采樣點(diǎn)選在20μs處。其輸出波形如圖6所示，功率因數為0.978。

6結語(yǔ)

本文對高頻振蕩區間的求解和線(xiàn)性外推思想的運用，成功地解決了PFC電路數值采樣過(guò)程中高頻振蕩的影響。文中的方法和結論對于分析、設計和調試所有含開(kāi)關(guān)的數字采樣電路均有實(shí)用參考價(jià)值。

參考文獻

[1]蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學(xué)（第一版）[M].科學(xué)出

版社，1993.

[2]JinghaiZhou.NovelsamplingalgorithmforDSPcontrolled

2kWPFCconverter[J].IEEEtran.PE,2001,16:217－222.

[3]S.WallandR.Jackson.Fastcontrollerdesignforsingle?

phasepower?fctorcorrectionsystem[J].IEEEtran.IE,

1997,44:654－600.

[4]吳忠.變頻采樣PWM矩形波電流控制[J].電工技術(shù)學(xué)

報，1996:16－21.