基于Nios II的Boost型功率因数校正系统研究

摘要：分析了基于双环Boost型功率因数校正(PFC)的控制原理及小信号模型，建立了基于PI调节的Boost型PFC控制系统。由于现场可编程门阵列(FPGA)可将Nios II软核处理器及PWM等外设集成到系统主控芯片，从而使系统具有控制精度高、可靠性好等优点。在此基础上，设计了基于Nios II的Boost-PFC硬件电路，并搭建了相应的实验平台进行系统实验。实验结果表明，该系统校正后的功率因数高，达到了理论设计要求。
关键词：功率因数校正；数字控制；现场可编程门阵列

1 引言
    PFC技术是减小谐波污染问题的有效方法之一。将PFC技术与数字控制技术相结合，实现数字化的PFC控制系统，已成为电力电子技术的一个重要研究方向。随着微电子和半导体生产工艺的提高，多数集成电路设计已进入片上可重构系统时代，从而使计算机进入微控制领域成为现实。在此基础上，新型电力电子功率器件不断出现，使得采用全控制的开关功率元件进行PWM控制方式成为主流。传统PWM控制大多采用单片机及高性能的DSP来实现，但由于单片机内部系统体系结构和计算功能等条件有限，使其在实现高效控制算法等方面遇到了困难。而DSP需要使用大量的外围电路，并且系统的可升级性较差。
    EDA技术不断发展，使得基于FPGA的数字系统为PFC系统的控制提供了一种新的有效方法。该方法就是在PFC系统中，将Nios II及PWM等外设集成到系统主控芯片EP2C8Q208C8型FPGA内，使得系统体积更小，成本低，可靠性高，更适合嵌入式系统的要求，而且具有现场可编程性，能够进行升级换代，具有广阔的应用前景。

2 Boost型功率因数校正系统原理及建模
2．1 系统总体控制方案
    Boost PFC电路是现在应用最广泛的有源PFC电路，具有功率因数值高，总谐波失真小，效率高的优点。该系统采用平均电流控制方式，工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小，应用FPGA数字芯片，其相对较复杂的控制也能较好地实现。为实现控制策略，系统需检测整流输入电压Uin，输入电感电流Iin和直流输出电压Uo。瞬时信号Uin，Iin，Uo分别从主电路上得到检测，并经信号调理电路送至AD7874的3条A／D转换通道。经过数字化采样后的Uo信号与输出参考电压信号Uref进行比较，信号差送入电压外环的PI调节器。该环节传递函数的输出与Uin采样值相乘，生成电流内环所必需的参考电流值Iref。Iin经数字采样后，与Iref进行比较，运算结果送入电流内环PI调节器。该PI调节器输出送入PWM比较器，与三角波信号比较产生开关信号的占空比，最后通过驱动电路产生驱动信号控制开关管的通断，实现电路的PFC，系统结构如图1所示。

2．2 Boost PFC模型建立
    为实现Boost PFC的双环PI数字控制，系统采用简化的小信号模型建模。要得到Boost变换器的小信号模型，首先要得到平均法模型，然后进行小信号扰动分析。先分别对开关S导通时的电感电压和开关S关断时的电容电流进行积分，再除以周期Ts，即可得到它们在一个Ts内的平均模型，加入扰动并忽略高阶项，可得该电路的动态小信号模型为：
    
    式(2)中第1式中d(s)Uo，(1-D)uo(s)，量很小；式(2)中第2式中d(s)I，(1-D)i(s)量很小，将其忽略，即可得到电感电流和输出电压对脉宽变化的传递函数：
    
    此处电压环和电流环调节均采用经典PI调节器，其结构简单，容易实现，将式(3)两式进行Z变换可分别得到电流和电压环的离散数学模
型，由此可根据系统要求分别求出电流环PI参数和电压环PI参数。用VHDL语言在FPGA中编写PI控制器程序，由于其软件设计的灵活性，PI调
节参数能不断得到修正和改进。

3 基于NiosⅡ的Boost-PFC硬件电路
    主电路采用Boost拓扑结构，其特点为输入电流连续，传导噪声低及良好的输入波形。在主电路中，电流和电压检测采用霍尔元件实现，经处理后送入A／D采样单元。驱动电路采用TLP250实现主电路与FPGA之间的隔离，保证了功率器件的可靠关断。
3．1 NiosⅡ嵌入式硬件系统构建
    EP2C8Q208C8型FPGA资源配置丰富，在该芯片上可嵌入Nios II软核处理器。实验证明嵌入的Nios II软核主频可平稳运行在120 MHz，可满足PFC系统要求。
    实验采用QuartusII 9．0作为硬件开发平台，利用SOPC Builder工具构建Nios II嵌入式硬件系统，SOPC Builder允许用户选择和自定义系统模块的各个组件和接口。用户可以很方便地将处理器、存储器和其他外设模块连接起来，形成一个完整的系统。在此先后将CPU，SDRAM模块和EPCS控制器等IP核添加到系统中，从而构建了一个标准的Nios II最小系统。
    最小系统建立后，根据PFC系统要求，还需定制PWM外设。在PFC系统中，系统经A／D前端处理及A／D转换后送入Nios II中进行运算，其输出再经过PWM比较器加到驱动电路上，以控制开关管导通和关断，从而使输入电流的波形与输入电压波形基本一致，使电流谐波减少，提高了输入端的功率因数。在自定制PWM外设时，先用VHDL语言编写PWM外设文件，编写完毕后对代码进行编译和仿真。
    验证正确后，将其加入SOPC Builder中，做为Avalon外设，之后SOPC Builder生成整个Nios II嵌入式硬件系统。用Quartus II软件编译SOPC硬件系统，生成FPGA的配置文件，将其下载到开发板中的串行电可擦除Flash存储芯片中，便完成了系统硬件平台设计。
3．2 A／D采样控制电路
    在PFC系统中需采样输入电压、输入电流和输出电压3路实时信号，故需要3通道A／D转换器，而AD7874是4通道12位同步数据采集器，其特性可满足该系统要求，故选择AD7874作为采样控制器。在A／D采样控制中，用Nlos II作为主处理器，主要完成数据和信息的收集和转发功
能，用FPGA对采集的信号做预处理，并将数据存储在高速FIFO中，从而实现数据的高速采集和目标提取，A／D采样电路框图如图2所示。

4 软件系统
    系统硬件平台设计完成后，在Nios II 9．0 IDE软件的开发环境中编写系统嵌入式应用软件，系统嵌入式软件流程如图3所示。

    该系统中，Nios II程序的任务是在规定的控制周期内，通过预先设定的值得到控制任务及控制参数，同时接收A／D采样控制电路的反馈信号，再经过CPU计算和处理后得到纠正的PWM控制参数并传达给PWM模块，最后由PWM模块输出相应的PWM信号以实现PFC系统的闭环PWM控制。

5 系统的实验结果
    通过控制分析和参数确定，对用EP2C8Q208C8型FPGA作为主控芯片的数字功率因数校正器进行了实验。此实验交流输入电压为220 V／50Hz，功率器件开关频率为30 kHz，输出电压经升压后为380 V。用示波器分别测量了校正前、后的波形，结果如图4所示。可见，输入电流无论是波形还是相位都基本跟踪了输入电压波形，功率因数达到0．98以上，得到了较为满意的结果。

6 结论
    此处主要围绕PFC的数字化控制进行了研究，着重介绍了平均电流型Boost PFC电路，建立了平均电流控制电压环、电流环的小信号数学模型，提出了设计思路，并设计了基于片上系统的数字控制方案，完成了实验样机的制作。测试结果表明，该系统控制精度高，功率因数值达到0．98以上，满足了理论设计的要求，并验证了此数字控制方案的可行性。
    基于Nios II设计的PFC系统，设计周期短，集成度高，灵活性大，维护和升级方便，硬件缺陷修复和排除简单，具有很好的移植性，用户可根据需要对该模块的设计思想进行修改。随着科学技术的发展，采用嵌入式对PFC系统进行控制是一种新发展趋势。