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功率因数控制器设计方案及完整硬件框图
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2017-11-14
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项目背景及可行性分析
项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况
项目名称：基于FPGA的功率因数控制器
项目的主要内容：为了进一步提高电源功率因数和降低对电网造成的谐波污染，各种拓扑结构的功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术已经成为电力电子技术研究的热点之一。开发一款通用的功率 项目主要的控制算法部分用硬件描述语言实现，并做成控制模块添加到FPGA系统中。在软件设计部分，采用μC/OS-II进行多任务调度来实现PC机的人机界面控制、本地调试和远程控制接口的通讯等。
项目关键技术及创新点的论述；
项目的关键技术：首先是浮点数运算，还有流水线设计以及模块的分时复用等。
创新点：传统的PFC数字控制器都是基于DSP的，本项目用FPGA代替传统的DSP芯片。
技术成熟性和可靠性论述：
由于PFC模拟和传统的DSP控制已经大量应用，故项目的理论基础是很成熟的。但由于以PFGA系统级的设计作为PFC的手段，在市面上几乎没有，所以用FPGA设计PFC具有前瞻性的意义。
项目实施方案
1.方案基本功能框图及描述
功率电路选用Boost升压型拓扑。
控制电路采用CCM（电感电流连续）的平均电流控制法。
图3-1 PFC原理框图
电压环通过调节平均输入电流来控制直流总线电压，实现功率因数校正的首要任务；电流环控制交流输入电流使之跟踪输入电压，实现功率因数校正的第二个任务。具体过程是：输出电压分压后与参考电压比较，然后经电压控制器处理，得到电压控制信号；电压控制信号与输入整流后的电压值相乘，得到电流的基准信号，此基准信号中不仅包含了调节输出电压的信号成分，而且也包含电流所要跟随的正弦信号成分；输入电流与基准信号比较后输入电流控制器，得到一个输出为电压占空比的信号，此信号通过PWM发生器驱动开关管通断。
图3-2 PFC数字控制原理框图
2.需要的开发平台
提高高频电源的功率因数
这也是PFC的目的所在。PFC的首要任务：利用校正电路将沿正弦波曲线的上升和下降的不同输入电压转换成稳定的，比输入正弦电压幅值稍高的直流输出电压。第二个任务：检测输入电网的电流并使它变为与输入电网的电压同相位的正弦波。
人机界面监控以及本地调试和远程控制
通过人机界面，设定各种控制参数就可以对高频开关电源进行FPC的实际监控和测试。在进行测试时，由于电源是在现场（本地），而监控测试可能在远地，这时本地和远地的通讯就尤为重要，所以要进行通讯的设计。
需要的器件
A/D、D/A能采样1MHz的中频信号，精度8-10位以上；DSP功能强劲；支持MicroBlaze和PowerPC；SRAM等。
项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况
项目名称：基于FPGA的功率因数控制器
项目的主要内容：为了进一步提高电源功率因数和降低对电网造成的谐波污染，各种拓扑结构的功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术已经成为电力电子技术研究的热点之一。开发一款通用的功率 项目主要的控制算法部分用硬件描述语言实现，并做成控制模块添加到FPGA系统中。在软件设计部分，采用μC/OS-II进行多任务调度来实现PC机的人机界面控制、本地调试和远程控制接口的通讯等。
项目关键技术及创新点的论述；
项目的关键技术：首先是浮点数运算，还有流水线设计以及模块的分时复用等。
创新点：传统的PFC数字控制器都是基于DSP的，本项目用FPGA代替传统的DSP芯片。
技术成熟性和可靠性论述：
由于PFC模拟和传统的DSP控制已经大量应用，故项目的理论基础是很成熟的。但由于以PFGA系统级的设计作为PFC的手段，在市面上几乎没有，所以用FPGA设计PFC具有前瞻性的意义。
项目实施方案
1.方案基本功能框图及描述
功率电路选用Boost升压型拓扑。
控制电路采用CCM（电感电流连续）的平均电流控制法。
图3-1 PFC原理框图
电压环通过调节平均输入电流来控制直流总线电压，实现功率因数校正的首要任务；电流环控制交流输入电流使之跟踪输入电压，实现功率因数校正的第二个任务。具体过程是：输出电压分压后与参考电压比较，然后经电压控制器处理，得到电压控制信号；电压控制信号与输入整流后的电压值相乘，得到电流的基准信号，此基准信号中不仅包含了调节输出电压的信号成分，而且也包含电流所要跟随的正弦信号成分；输入电流与基准信号比较后输入电流控制器，得到一个输出为电压占空比的信号，此信号通过PWM发生器驱动开关管通断。
图3-2 PFC数字控制原理框图
2.需要的开发平台
提高高频电源的功率因数
这也是PFC的目的所在。PFC的首要任务：利用校正电路将沿正弦波曲线的上升和下降的不同输入电压转换成稳定的，比输入正弦电压幅值稍高的直流输出电压。第二个任务：检测输入电网的电流并使它变为与输入电网的电压同相位的正弦波。
人机界面监控以及本地调试和远程控制
通过人机界面，设定各种控制参数就可以对高频开关电源进行FPC的实际监控和测试。在进行测试时，由于电源是在现场（本地），而监控测试可能在远地，这时本地和远地的通讯就尤为重要，所以要进行通讯的设计。
需要的器件
A/D、D/A能采样1MHz的中频信号，精度8-10位以上；DSP功能强劲；支持MicroBlaze和PowerPC；SRAM等。
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