60000字论文范文针对基于单片机理论的功率因数校正系统的设计
论文类型：论文范文
论文字数：60000字
论点：功率因数,控制,校正
论文概述：
在控制方案方面，选择了适合于数字控制实现的平均电流控制模式进行数字化控制。控制环分为电压外环和电流内环，软件控制器采用数字PI控制器并添加了防积分饱和环节。
论文正文：
第一章引言
1.1研究课题的背景和意义
电力电子技术在当今工业和民用领域发挥着越来越重要的作用。计算机、通信等行业常用的逆变器、不间断电源和开关电源都是电力电子技术应用的重要产品。然而，电力电子设备的广泛使用也给电网带来了一些负面影响。电力电子器件的开关过程通常伴随着大电流谐波。此外，作为非线性负载，对电网功率因数的不利影响不可低估。为了满足社会对绿色电源的需求，一些电力电子设备必须安装功率因数校正装置，以提高产品的功率因数，抑制谐波。目前，功率因数校正的成熟方案是使用模拟集成芯片进行控制，其额定功率可达数百至数千瓦，可应用于逆变器前级或普通开关电源等各种设备。
模拟控制有一定的缺陷，即电路受设计参数的影响很大。当额定功率或输出电压改变时，主电路各元件的参数将不可避免地相应改变，影响电路的通用性。随着电子产品功能和存储容量的不断扩展，其电能消耗也在不断增加。以电信产品为例。据统计，更新周期一般为18-24个月。然而，匹配的电源技术没有更新得这么快。如果继续过去的设计，将会节省很多成本。这要求电源系统具有更大的灵活性和可扩展性。显然，模拟控制的功率因数校正技术不能满足灵活性和可扩展性的要求。数字功率控制技术的发展为解决这些问题带来了机遇。本课题的目的是在选择合理的主电路和控制方案的基础上，利用当前通用的电机控制芯片实现功率因数校正。为了实现这一目标，有必要对数字控制过程进行详细的研究，给出数字控制算法和软硬件参数的确定方法。
1.2功率因数校正技术的必要性
开关电源因其体积小、效率高而成为应用电源的重要类型，是电力电子技术的重要应用领域。下面是一个开关电源的例子，说明电源系统中功率因数校正的必要性。
1.3功率因数校正技术的发展趋势
功率因数校正技术一般分为无源型和有源型。无源功率因数校正使用电感和电容等无源器件进行补偿，不需要额外的电源。无源功率因数校正具有结构简单、成本低、易于设计的优点。缺点是功率因数较低，通常低于0.7，因此通常仅用于要求较低的产品。与之相对应的是有源功率因数校正技术。它是指以某种拓扑结构作为主电路，辅以相应的控制电路，主动控制输入电流的波形。与无源校正相比，有源功率因数校正的主要优点是功率因数高，可以达到0.95以上。缺点是控制方案复杂，增加了控制难度和系统成本。
过去20年来，关于主动修正的各种研究在主动技术方面取得了很大进展。已发表的研究成果涵盖电路拓扑、系统建模与分析、控制策略等不同方面，为有源功率因数校正的实现和优化提供了理论和实践指导。本文主要研究有源功率因数校正的数字化实现。
1.4本课题的主要研究内容
本文的目的是完成数控单相功率因数校正器的设计和实验验证。本文的主要内容如下:
(1)首先，通过比较各种拓扑的优缺点，选择升压变换器拓扑作为基本控制拓扑。进一步的拓扑优化是通过交错和并联来实现的。
(2)通过对当前主流PFC控制方案的分析比较，选择了适合数字控制的平均电流控制模式和电压电流双环控制。[/比尔/] (3)给出了一种确定数字控制系统中模数转换器和脉宽调制器分辨率的方法，并构造了数字控制器。
(4)补偿控制系统，以提高系统的稳定性和动态性能。为了建立完整的回路数学模型，对主电路进行小信号建模，得到传递函数，并考虑采样延迟和计算延迟。最后，用z变换调整控制器参数，并用波特图验证了环路补偿对系统性能的改善。
(5)给出了系统硬件设计和软件流程，并通过MATLAB仿真和实验波形验证了设计的正确性。
第二章拓扑和控制方案选择……13-22
2.1主电路拓扑选择……13-16
2.2控制方案选择……16-21
2.2.1基于升压拓扑的控制方案介绍.........16-20 [/BR/] 2.2.2数控IPFC控制方案的确定.........20-21[/比尔/] 2.3……21-22
第三章数控IPFC系统的结构和参数选择……22-32 [/BR/] 3.1数控IPFC系统的控制结构……22-23 [/BR/] 3.2数字补偿器的构造……23-24
3.3数字控制系统参数选择……24-31[/溴/] 3.3.1采样频率测定……25[/比尔/] 3.3.2模数转换器分辨率测定……25-30
3.3.3脉宽调制分辨率和系统时钟频率.........30-31 [/BR/] 3.4本章概述……31-32
第四章数控系统的回路设计……32-43
4.1控制系统的小信号模型……32-34
4.1.1主电路描述方程……32-34 [/BR/] 4.1.2主电路小信号模型……34[/溴/] 4.2控制回路传递函数的推导……34-37 [/BR/] 4.2.1电流回路传递函数……34-35[/溴/] 4.2.2电压回路传递函数……35-36
4.2.3延迟……36-37 [/BR/] 4.3数字控制系统环路补偿……37-42 [/BR/] 4.3.1电流回路补偿……37-40
4.3.2电压环电路补偿……40-42 [/BR/] 4.4本章概述……42-43
第五章基于数字控制的单相PFC系统设计…… 43-58
5.1系统硬件设计……43-50 [/BR/] 5.2系统软件设计……50-53 [/BR/] 5.2.1软件模块功能和数据存储……50-51
5.2.2软件流程图……51-53[/比尔/] 5.3模拟和实验结果分析……53-57 [/BR/] 5.3.1基于MATLAB的控制过程仿真.........53-55
5.3.2实验结果波形图……55-57 [/BR/] 5.4本章概述……57-58
结论
通过比较当前主控制拓扑，选择并联交错拓扑作为主电路，从而降低输入谐波和电感量。在控制方案方面，选择适合数字控制的平均电流控制方式进行数字控制。控制回路分为电压外环和电流内环。软件控制器采用数字比例积分控制器，增加了反积分饱和环节。为了确定系统的控制参数，介绍了模数转换器和脉宽调制分辨率的计算方法，定量地确定了它们的分辨率对谐波和系统时钟的影响。
为了补偿控制回路，基于小信号模型给出了电流回路和电压回路的传递函数。同时，根据数字系统的特点，考虑数字系统延时和采样保持过程。最后，采用经典方法对控制回路进行补偿，并通过频率响应验证了补偿方案的合理性。最后，通过软件仿真和硬件实验证明了设计的合理性。给出了硬件参数的选择依据和部分电路原理图。仿真和实验波形表明，该控制系统能够很好地完成设计任务。
本主题中提出的控制方案仍有很大改进空。主电路采用并联交错拓扑具有明显优势，但控制中存在均流问题。虽然采用了均流方案，但它占用了系统的计算时间。目前，针对功率因数校正电路提出的单周期控制，如预测比空或滑模控制，可以用来减少算法的执行时间，这需要进一步评估。量化误差被引入到模数转换器和脉宽调制分辨率的确定中以减少谐波，但是控制谐波的效果没有被测量。上述问题需要进一步研究。