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(duì)數(shù)字采樣有一定的影響，以Boost型PFC電路為例，分析了受影響區(qū)間，進(jìn)而提出線性外推的改進(jìn)算法。最后把此算法運(yùn)用到一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該算法的有效性。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；功率因數(shù)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(yīng)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(diào)節(jié)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(duì)控制電路頻率也提出相應(yīng)的要求。傳統(tǒng)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(shù)字控制所取代。具有高速處理平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)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(rèn)為：采用傳統(tǒng)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(xiàn)的高頻噪聲的影響，以至采樣準(zhǔn)確度大受影響。為使受控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，文獻(xiàn)[2]提出了跳過(guò)受影響的區(qū)間進(jìn)行采樣的算法,即不定點(diǎn)采樣算法，取得了不錯(cuò)的效果。 本文針對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣的影響，詳細(xì)分析了存在的開(kāi)關(guān)振蕩區(qū)間，并給出其表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，提出針對(duì)該問(wèn)題的另一種解決辦法——線性外推的固定點(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(yàn)?zāi)Ｐ椭校瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性與線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，在滿足負(fù)載電壓為平穩(wěn)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(cè)電流具有近似正弦的波形，且與網(wǎng)側(cè)電壓相位相同，整個(gè)電路的功率因數(shù)接近1，具有功率因數(shù)校正的目的。

圖2含高頻諧振的采樣電流(5A/div）

傳統(tǒng)的采樣模擬控制，其控制部分如圖1中的虛線框所示，若用DSP，則該部分的功能由DSP及其外圍設(shè)備代替?？蛑械年P(guān)鍵部件為基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器（也稱(chēng)乘法器）。其輸入信號(hào)由反映輸出電壓精度的誤差信號(hào)和反映網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)組成，其輸出作為控制開(kāi)關(guān)管的基準(zhǔn)與反映電感電路iL的信號(hào)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(duì)它們不失真采樣是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦，保持輸出電壓穩(wěn)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(jì)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(jì)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(xiàn)狀

為了提高轉(zhuǎn)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(qū)間，無(wú)疑將使采樣失真，直接影響電壓的穩(wěn)定。事實(shí)上這種情況是存在的。

幾乎所有的脈寬調(diào)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?yàn)槠漭斎胧钦也?，有零到峰值的變化范圍，所以要保持輸出穩(wěn)定，相對(duì)應(yīng)的占空比必須有接近于1到0的變化范圍。這樣就會(huì)導(dǎo)致在某個(gè)時(shí)間段，采樣總會(huì)發(fā)生在高頻振蕩區(qū)間。文獻(xiàn)[2]采用一定的算法避開(kāi)此區(qū)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線性外推的采樣算法

設(shè)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(diào)制的占空比分布

由于正弦波周期遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期，故可以直接運(yùn)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(hào)的區(qū)間推導(dǎo)

可見(jiàn)，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，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(duì)稱(chēng)的區(qū)間上采樣到開(kāi)關(guān)諧振信號(hào)。由于對(duì)稱(chēng)，故只需求解0—π/2的區(qū)間。

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

χ－toscDTχ＋tsam

結(jié)合式（2），此區(qū)間用角度表示為θ=arcsin〔(1－)〕－arcsin〔(1－)〕

(3)

因?yàn)棣取?，所以χ越大，θ越小。但為保證在T－χ時(shí)間內(nèi)能夠完成下周期占空比的計(jì)算，不能太大。

4.3線性外推算法

當(dāng)χ的取值盡可能大，同時(shí)又滿足T－χ時(shí)間內(nèi)能完成計(jì)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(yīng)占空比對(duì)比圖

圖4一個(gè)采樣周期的時(shí)間分布

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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(yù)設(shè)一個(gè)較大的偏差值，當(dāng)采樣值和線性外推值之差超出此預(yù)設(shè)偏差，就認(rèn)為采樣發(fā)生在振蕩區(qū)間內(nèi)，這時(shí)就用線性外推值代替采樣值，繼續(xù)計(jì)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(jì)偏差只會(huì)引起θ小范圍的變化，不會(huì)導(dǎo)致算法根本失效。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將此算法運(yùn)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(jì)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(shù)為0.978。

6結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高頻振蕩區(qū)間的求解和線性外推思想的運(yùn)用，成功地解決了PFC電路數(shù)值采樣過(guò)程中高頻振蕩的影響。文中的方法和結(jié)論對(duì)于分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試所有含開(kāi)關(guān)的數(shù)字采樣電路均有實(shí)用參考價(jià)值。

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