功率因數(shù)校正 （PFC） 對(duì)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)越來越重要，主要是由于公用事業(yè)側(cè)對(duì)諧波含量的監(jiān)管增加。額外的好處包括效率、電壓質(zhì)量和導(dǎo)體額定值。數(shù)字 PFC 控制器比模擬控制器更昂貴并且可能更復(fù)雜。然而，當(dāng)考慮到主電機(jī)控制處理器的功能時(shí)，它們可以在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供顯著的附加值。

PFC 可以使用有源電路拓?fù)洌ɡ鐔蜗嗷蛉嗌龎赫髌鳎﹣韺?shí)現(xiàn)，也可以通過無源方法來實(shí)現(xiàn)，這涉及明智地使用低頻電感器和電容器來塑造 AC 線路電流包絡(luò)線。兩種形式的 PFC 都試圖重現(xiàn)與線路電壓同相的正弦或接近正弦的線路電流，從而最大限度地減少產(chǎn)生損耗的諧波電流和來自公用事業(yè)的無功功率流。有源和無源 PFC 之間的權(quán)衡與成本、無源元件重量和體積以及 PFC 相關(guān)的損耗有關(guān)。

在單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，有源 PFC 相當(dāng)受歡迎。對(duì)于三相系統(tǒng)，無源諧波校正更受歡迎，通常涉及三相線路中的 50 或 60 Hz 大電感，或整流器直流側(cè)的單個(gè)電感。然而，轉(zhuǎn)向更高功率的有源 PFC 具有優(yōu)勢(shì)。有源 PFC 解決方案（直流或交流側(cè)）在電感器尺寸、更低的功率損耗、更輕的重量和功率因數(shù)方面提供了最佳解決方案。

在單相應(yīng)用中，例如低功率電機(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。這些轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常在 50 至 100 kHz 范圍內(nèi)，因此需要更小的直流側(cè)電感器而不是被動(dòng)的解決方案。對(duì)于三相系統(tǒng)，涉及交流或直流側(cè)高頻電感器的單開關(guān)拓?fù)涫强赡艿摹?/p>

圖 1：單相升壓 PFC 電路。

實(shí)施 PFC 控制的一個(gè)障礙是與 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)中就是這種情況。在這里，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，因此在主電機(jī)控制處理器內(nèi)實(shí)現(xiàn) PFC 控制會(huì)帶來額外的復(fù)雜性和成本。此外，通過處理器實(shí)現(xiàn) 50 至 100 kHz 的 PWM 控制，該處理器通常為 10 至 20 kHz 的 PWM 頻率服務(wù)電機(jī)控制應(yīng)用而優(yōu)化，這可能是一個(gè)困難的匹配。

在這種情況下，一種選擇是使用便宜的模擬 PFC 控制器，例如UC3854，并使其獨(dú)立于主系統(tǒng)控制器運(yùn)行。然而，通過將數(shù)字 PFC 控制器（例如ADP1047）與電機(jī)控制處理器和數(shù)字隔離器結(jié)合使用，可以獲得附加值。然后，處理器可以將一些排序、監(jiān)控和保護(hù)功能卸載到 PFC 控制器，并在降低成本的同時(shí)增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)能力。這種安排可用于：

啟動(dòng)和關(guān)閉排序

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

最小化傳感器要求

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 控制器部件的潛在系統(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 等部件的集成功能的優(yōu)勢(shì)很明顯。盡管 PFC 控制器本身的成本可能高于其模擬控制器，但總體系統(tǒng)成本、復(fù)雜性和傳感器數(shù)量都可以降低。

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)

圖 3 描述了一個(gè)用于驗(yàn)證真實(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)中的信號(hào)鏈組件和軟件工具的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)代表一個(gè)功能齊全的 PMSM 電源輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有電源-因子校正、完全控制和通信信號(hào)隔離以及光學(xué)編碼器反饋。

圖 3：通用交流輸入電機(jī)控制平臺(tái)。

該系統(tǒng)的核心是一個(gè) ARM Cortex-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)量能力和浪涌電流控制。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)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)都可以通過 PMBus 接口進(jìn)行報(bào)告和調(diào)整。

ADP1047/ADP1048 讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能，最大限度地提高整個(gè)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)字控制 PFC 引擎與準(zhǔn)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)，從而做出提高最終用戶系統(tǒng)效率的決策。該器件通過在輕負(fù)載時(shí)的可編程頻率降低和在輕負(fù)載時(shí)降低輸出電壓的能力來支持額外的效率改進(jìn)。

系統(tǒng)操作

處理器和 PFC 控制器之間的通信通過 I2C/PMBus 接口進(jìn)行，I2C 數(shù)字隔離器提供域之間的接口（圖 5）。處理器位于 SELV 電氣域中，PFC 控制器參考高壓域中的直流總線共軌。三相逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)信號(hào)通過一個(gè)雙通道隔離器從處理器 PWM 模塊路由。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)也通過數(shù)字隔離器路由。

圖 5：數(shù)字信號(hào)的隔離。

PFC 控制器管理升壓 PFC 電路的控制和監(jiān)控。這些任務(wù)從主要的電機(jī)控制軟件工作流程中卸載到低優(yōu)先級(jí)例程中（圖 6）。PFC 控制器參數(shù)在啟動(dòng)過程中進(jìn)行配置，但如果此功能可用，通?？梢酝ㄟ^將配置參數(shù)寫入控制器的 EEPROM 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 控制器更新將通過高優(yōu)先級(jí)中斷處理，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)控制算法來說并不重要，但無傳感器算法中的直流總線電壓測(cè)量可能除外。但它們對(duì)于整體系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控和控制器優(yōu)化很重要。因此，可以在低優(yōu)先級(jí) I2C 數(shù)據(jù)處理任務(wù)或中斷例程中請(qǐng)求和處理它們，并以與系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)間常數(shù)相匹配的調(diào)度速率。

圖 6：主電機(jī)控制程序結(jié)構(gòu)。

該平臺(tái)的 Micrium Probe 用戶界面，其中直流總線參考電壓已設(shè)置為 250 V?？梢郧宄乜吹脚c電機(jī)控制相結(jié)合的交流和直流側(cè)變量的監(jiān)控。

處理器上額外的傳感器、數(shù)字 I/O 和模擬引腳的節(jié)省，以及測(cè)量變量的縮放和解釋中的軟件開銷，可能意味著處理器成本的降低，因?yàn)槟軌蜻x擇較低的性能變體，或?yàn)槠渌邇?yōu)先級(jí)或系統(tǒng)增強(qiáng)功能釋放處理器硬件和軟件占用空間。

在此示例中，與交流線路電壓相關(guān)的系統(tǒng)啟動(dòng)排序、直流總線欠壓、過壓和交流側(cè)過流保護(hù)均由 PFC 控制器處理。然而，在這方面，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須謹(jǐn)慎行事，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)措施，因此它不會(huì)因以下原因而采取獨(dú)立行動(dòng)次要效果。

這方面的一個(gè)例子是，由于直流總線上的瞬態(tài)過電壓（例如，由于電機(jī)制動(dòng)事件），PFC 控制器對(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)（不成功）嘗試調(diào)整 PWM 輸出以維持其工作點(diǎn)。如果 PFC 控制器在過壓瞬態(tài)消失后重新啟用 PWM，則系統(tǒng)可能會(huì)由于 PWM 占空比的突然大幅增加而發(fā)展為二次故障。因此，必須小心管理 PFC 控制器和電機(jī)控制處理器之間的保護(hù)和排序通信。

審核編輯：郭婷