控制框图:FOC、PFC 与 LLC

大多数功率变换器采用环中有环的结构控制。快速内环调节变化快的量,通常是电流;较慢的外环通过改变内环给定来调节真正关心的量,如转速或输出电压。下面的框图是三种常见结构。点击模块可查看其作用和速率,逐步查看功能会在每条连线上标出示例数值,沿环路依次追踪信号。

示例工作点: 4 对极 PMSM,转速 1450 rpm,给定 1500 rpm,V_dc = 24 V,R = 0.2 Ω,L_d = L_q = 1 mH,ψ = 0.01 Wb,转子角 θ = 37°。控制器输出为对应实测电流的稳态值。

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磁场定向控制(PMSM)
i_q*v_q*i_d*v_d*v_αβ*abci_a, i_bi_αβi_di_qθθω*ΣPI转速ΣPI i_qi_d*ΣPI i_d反 ParkSVPWM逆变器PMSMADCClarkePark位置/转速检测ω̂ = 1450 rpm

Σ

ω* = 1500 rpmω̂ = 1450 rpmΔω = 50 rpm

转速给定 1500 rpm 与估计转速 1450 rpm 比较,50 rpm 的误差就是转速控制器要消除的量。

每个 Σ 都是给定减反馈。坐标变换与 Clarke/Park 可视化讲解一致:幅值不变,θ = 0 时 d 轴与 a 相重合。

Σ 求和点

转速误差 ω* − ω̂。按转速环周期更新,通常为电流环周期的若干分之一。

点击、轻触或用 Tab 键选中任一模块,查看它的作用、相对于其他模块的运行速率,以及本站中介绍它的页面。

带宽分离(示例)

1 Hz10 Hz100 Hz1 kHz10 kHz100 kHz1 MHz转速环 100 Hz电流环 1.5 kHzPWM 20 kHz

这些是典型设计的示例值,并非设计要求。关键在于间隔:每个内环比其外环快数倍,且所有环路都远低于采样或开关频率。

级联环路为何有效

如果内环比外环快数倍,外环看到的内环就近似一个理想执行器:要多少电流就有多少电流。于是每个环路都可以单独整定。常用的经验法则是各穿越频率之间相差 5 到 10 倍,并且每个环路都远低于其采样或开关频率。

这种结构也自然提供了施加限幅的位置。限制内环给定就限制了电流,从而保护开关器件和电机。限幅起作用时,外环积分器不应继续累积,这就是抗积分饱和的作用。

磁场定向控制

在永磁同步电机的磁场定向控制中,转速控制器产生转矩电流给定 i_q*,磁链策略给出 i_d*。两个电流控制器工作在旋转 dq 坐标系中,稳态下电流为常数;其电压指令经反 Park 变换和空间矢量调制送到逆变器。

反馈路径方向相反:ADC 在 PWM 周期的固定位置采样相电流,Clarke 和 Park 变换把它们转到 dq 坐标系,编码器或观测器为两个变换提供转子角,并为外环提供转速估计。本站的 Clarke/Park、SVPWM 以及 PWM 与 ADC 时序可视化讲解展示了这些模块的实际运行。

双环升压 PFC

平均电流模式 PFC 既要吸取正弦电流,又要保持直流母线恒定。内电流环跟踪形状与整流电网电压相同的给定,需要数千赫兹的穿越频率。外电压环只决定该给定的幅值。由于母线电压含有两倍电网频率的纹波,电压环必须很慢,通常为 10 到 20 Hz;若更快,纹波就会被复制到电流给定中,使输入电流畸变。

把给定除以输入电压有效值的平方,可使电压环增益从低压输入到高压输入保持不变。本站的 PFC 环路计算器按照 TI 应用笔记 U-134 的方法计算两个环路,升压 PFC 计算器则用于设计功率级。

LLC 电压环

LLC 变换器用频率而不是占空比控制。补偿器输出成为频率指令,谐振腔把频率转换为增益。谐振点以上频率越高输出越低,因此输出偏高时环路必须提高频率,其符号与降压变换器的占空比环路相反。

被控对象随负载和输入电压变化很大,反馈通常经光耦穿过隔离边界,又引入自身的极点和增益离散。请在工作范围的各个角点而不是单一工作点检查环路。LLC 设计计算器给出谐振腔增益曲线,LLC 环路计算器绘制补偿后的环路。

如何阅读这些框图

框图下方的带宽条给出典型设计的示例值,只表示环路之间的间隔,并不是你的变换器的目标值。打开环路显示可以看到哪些模块属于内环和外环,点击模块可获得详细介绍它的计算器或可视化讲解的链接。

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