经典方案：基于FPGA的功率因数控制器设计

1.项目的进展情况

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。
 
2.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。
 
3.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。
 
所需要的目标FPGA开发平台，简述为什么需要此平台

设计之初选择使用Altera DE2开发平台，扩展板AD、DA自行研发，验证简单的数据采集和通信的功能。最终将选择Xilinx Virtex II Pro开发平台。理由：设计之初选择Altera DE2板的目的是证明本参赛组对基于FPGA的数字电路设计及其应用上具有参赛实力。但由于其平台不具有商业化的操作，最终选择Xilinx Virtex-II Pro开发平台是因为项目属于计算机架构，嵌入式系统，实时操作系统，网络方面的应用， 唯Virtex-II Pro XC2VP30能够满足该设计要求。
 
是否需要其它配套的开发工具：需要配套的调试和下载工具
 
2.方案实施过程中需要开发的模块

电流环控制算法

为了达到功率因数校正的目的，使输入电流跟踪输入电压。就必须进行电流环的设计。如图3-3所示。

输入电流经过ADC采样后，将数据送入加法器和除法器中，得到平均电流。电压环的输出信号与输入的采样电压相乘后得到参考电流。比较器经过比较两个电流的大小。输出方波信号控制开关的导通与关断，当平均电流等于参考电流时，开关管关断，然后在下一个开关周期开始的时候在让开关管导通，继续采样电压和电流。
 

图3-3：电流环控制框图

 
电压环控制算法

电压环的控制部分采用PI控制算法。由于此算法有许多明显的优点，如系统稳定，控制方便，算法易于设计等等。
 

图3-4：电压环控制框图

 
3.系统最终要达到的性能指标

PF至少达到95%以上。
能实现本地和远程控制。
 
需要的其它资源

1.设计输入输出功能子板

完成数据采集与反馈控制的AD、DA扩展板，自行研制，07年11月以前验收。
 
2.测试设备

直流稳压电源、万用表、示波器、频谱仪、矢量信号分析仪等。
 
3.方针、开发工具

MATLAB、EDK、ModelSim、Xilinx ISE等，其他的开发工具自行解决。