采用直接PCF方法实现的电机控制解决方案

　　当IEC31000-3-2在2001年变成强制标准时，很多公司开始在设计中考虑采用功率因数校正(PFC)，这些产品包括照明设备、便携式工具、所有的电子设备、消费产品、家用电器和工业设备等。该标准克服了注入公用主供电系统的谐波电流限制，适用于每相位拥有高达16A的输入电流的电气及电子设备，其目的是连接公用低压配电系统。

　　如果不采用PFC，那么典型开关模式电源的功率因数约为0.6，因而会有相当大的奇次谐波失真(第三谐波有时和基本谐波一样大)。令功率因数小于1以及来自峰值负载的谐波减少了运行设备可用的实际功率。为运行这些低效率设备，电力公司必须提供额外的功率来弥补损耗。功率的增加将导致电力公司使用负载更重的供电线路或遭受中性导线烧坏的威胁。PFC的使用每年都在增加，特别是在很多公司共享市场的激烈竞争环境中。

　　PFC主要分为两大类：有源和无源。无源PFC较便宜，但很难针对可变输入电压和可变负荷进行设计。无源PFC电路较简单，比有源PFC的组件更少，适合低于200W、仅有一个输入电压的低功率应用，因为这些应用的感应器和电容器很小且便宜。

　　对于功率较高的应用，它们的感应器和电容器更大、更昂贵，因此，有源PFC就成为一种更经济高效的方法。无源PFC适合低功率、固定电压、固定负荷的应用。有源PFC则适用于中高功率需求的应用，例如PC电源、UPS、电信设备和等离子显示屏，在这些应用中，无源PFC无法满足系统要求(SMPS、HF镇流器、转换器、电池充电器等)。

　　另外两种方案是模拟和数字PFC。传统的模拟PFC控制器可提供多种控制算法，所需的额外组件较少。数字PFC可提供可比性结果，但更动态的PFC能够提供更优的性能且更易于修改。

　　本文描述了飞思卡尔MC56F8013数字信号控制器(DSC)上面向PFC的平均电流模式控制。除了节省功率和满足电流标准外，采用PFC还有其它各种原因。PFC可以减少谐波失真，谐波失真可能导致发电设备中的工作温度升高，而较高的温度又可能缩短旋转机器、电缆、变压器、电容器、保险丝、开关触点和电涌抑制器等设备的使用寿命。谐波还会造成电容器和电缆上额外电介质应力，使得机械绕组和变压器的电流以及众多产品的噪音排放提高。这些问题还可能引发集肤效应，带来电缆、变压器和旋转机器中的问题。所有这些因素都会影响电气设备的可靠性、性能和老化速度。

　　尽管本文中描述的应用是面向MC56F8013 DSC的，但根据应用要求，也可以采用MC56F80xx系列的其它成员。本文中介绍的实现方案是一种全数字解决方案。快速电流和低压回路采用DSC进行数字实现，PFC电源开关直接由DSC PWM输出控制，因此，该方案被称为直接PFC。直接PFC算法在平均电流控制持续传导模式(CCM)下工作。

　　采用直接控制方法比间接解决方案需要更多的DSC资源，其中，PWM由外部硬件电路生成。另一方面，采用直接控制可以生成来自线路的纯电流正弦波，并在输入处获得理想的电阻负荷值。直接PFC的另外一个优势是具有恒定晶体管交换频率，从而可以减少噪音。

　　采用直接PFC可以实现更好的系统动力学，因为这种控制算法简单、快速。此外，不需要来自线路电压的同步信号，比间接PFC需要的无源组件更少。该方案非常经济高效，适合于中(200~600W)、高功率(600W以上)应用。DSC的高性能使得PFC和电机控制应用可以并行运作。本文描述了采用单旁路电流传感的三相交流感应矢量控制驱动的PFC方案。

　　升压转换器作为主动功率因数校正前置调节器被广泛采用。控制结构分为两条回路：内部电流控制回路和外部电压控制回路(如图所示)。外部电压控制回路通过DSC中的软件实现，在DC总线上保持恒定电压。电压控制回路采用比例-积分(PI)控制器，输出定义PFC电流所需的幅度。PFC控制算法提供正弦曲线输入电流，不需要通过DSC控制的专用PFC硬件，向相位转移到输入电压。硬件集成了输入整流桥DB、PFC电感L、PFC二极管D和PFC开关Q。这些模拟数值就是经传感整流的(sensed-rectified)输入电压、输入电流DC总线电压。输入电流用PFC开关进行控制，以达到理想输入电流和理想DC总线电压水平(UREQ)。

内部电流回路和外部回路一样，也通过软件实现，它采用PI控制器通过直接控制PFC晶体管来保持正弦曲线输入电流。PI控制器的输入是基准电流、IREQ和实际电流、IL之间的差值。IREQ的正弦曲线波形源自输入电压UDC RECT的波形(如图所示)。将经整流的输入电压波形与电压控制器的输出相乘，获得最终基准电流IREQ。电流PI控制器的输出生成信号D，与开放回路中升压转换器的占空比相对应。电流PI控