哈斯dina, MathWorks
功率因数校正(PFC)是一种提高电源输出实际功率能力的方法。在这个视频中,你将学习如何使用Simulink金宝app®通过对PFC升压变换器建模和调节控制器增益来执行功率因数校正,以实现接近单位的功率因数。二极管桥式整流器和升压变换器等无源元件在Simscape Electrical中建模™. 级联控制器设置在Simulink中建模,并控制内部电感电流回路和外部电压回路。您将看到如何使用Simulink Control Design中的PID调谐器,使用线性化设备模型的输出来调整控制器。通过向设备中注入扰动来估计内外环的频率响应模型,从而实现设备线性化。Simulink控制设计使用这些响应模型计算PI增益,并通过运行闭环仿真验证控制器性能。金宝app
你好。在这个视频中,我们将展示如何设计和模拟功率因数校正的数字控制算法。
在这里,我们使用Simscape Electrical和Simulink的模块对典型的有源功率因数校正装置进行了建模。让我们看看模型的不同元素。我们有一个120V rms的交流电源连接到一个二极管桥式整流器。该整流器连接到金宝app一个数字控制的升压转换器和一个额定为400V的电阻负载。
我们在这个名为Controls的子系统中建模了数字控制算法。我们可以看到,该算法是一个级联控制回路结构。外环控制负载电压,内环控制电感电流。
我们的控制算法计算一个PWM信号,该信号驱动升压转换器的MOSFET。在本视频中,我们将不讨论无源元件的大小。我们将处理模型中已经存在的电感和电容的参数值,但需要注意的是,我们可以轻松更改这些值,运行模拟,并观察更改。因此,我们可以使用该仿真模型来选择无源元件的最佳参数值,但我们这里的重点是数字控制算法。
在该模型中,控制器的PI增益设置为初始猜测值。这些增益值不能提供最佳的功率因数校正。我们可以通过运行模型看到这一点。在这幅图中,我们看到线电压用黄色表示,线电流用蓝色表示。电流波形中存在谐波,导致功率因数较差。因此,我们需要重新调整控制器以获得更好的功率因数校正。
我们的工作流程如下:我们将首先调整内环,以获得当前环路的最优PID增益。随着内环的调整,我们将调整外电压环来计算电压环PI控制器的增益。
要进行调整,我们需要获得一个线性植物动力学模型。对于内环,我们需要获得从PWM占空比到电感电流的动态特性。我们将使用Simulink Control design中的线性分析工具来完成这项工作。使用该工具,我们可以通过进行交流扫描来估计模型的频率响应。我们需要在适当的工作点或偏置点周围进行交流扫描。为了进行交流扫描,我们必须用直流电源代替交流电压源。金宝app
该模型建立在其直流工作点,直流电压源为120V,稳态占空比为0.72 [AT1],以保持400V的直流输出恒定。
我们可以通过将这些信号分别标记为输入和输出线性化点来说明我们对从PWM占空比到电感电流的动力学感兴趣。仿真在~0.15秒左右达到稳态,因此我们将对稳态时的启动频率响应进行估计。接下来,我们指定将向模型注入固定步长、采样时间为0.2微秒的正弦流输入。我们将频率扫描范围设置为10Hz ~ 15kHz,信号振幅设置为0.036,以确保在工作范围内有足够的激励。我们选择这个信号的振幅要足够小,不至于让我们离开工作点。
然后开始频率响应估计。对该模型进行了仿真,计算了系统的频率响应。我们将它导出到MATLAB工作区,用于PI控制器的调整。
在接下来的步骤中,我们在控制子系统中设置电流PI控制器,以参考和被测电感电流在闭环中运行。
接下来,我们通过按块对话框中的调整按钮来调整PI控制器块的增益。这将启动PID调谐器,试图自动线性化工厂。因为在这个模型中我们有不连续,如mosfet和PWM开关,模型不能被解析线性化。但是,这是可以的,因为这正是我们之前运行频率响应估计的原因。我们现在可以简单地将PID调谐器指向估计的频率响应。
PID调谐器使用这个频率响应来计算PI增益,以提供快速和稳定的系统闭环运行。我们可以使用滑块来调整带宽和相位裕度。我们将调优带宽约3.760 kHz和相位裕度60度,以保持稳健的电流参考跟踪。
我们现在可以将计算得到的PI增益更新到模型的PI块中。
随着内部电流回路的调整,我们将重复调整外部电压回路的过程。在控制子系统中,此处的常量块1表示电感电流请求。在我们的最终模型中,该信号将由外部电压回路计算。因此,为了调整外环,我们的输入线性化点是这个信号,输出线性化点是输出电压信号。
模拟在0.4秒左右达到稳态,因此我们将告诉线性分析工具在这个时间点左右开始频率响应估计。我们将固定步长正弦流信号采样时间设置为0.2微秒,交流频率扫描范围从10Hz到5kHz。将扰动的振幅设置为0.1,以确保有足够的激励。我们现在可以运行这个工具并计算用于调整外回路的频率响应。
接下来,就像我们为内环所做的一样,我们将用电压PI控制器设置外环控制子系统,并通过启动PID调谐器来开始调谐。同样,与我们对内环所做的类似,我们导入先前估计的频率响应来计算PI增益。电压环比电流环慢,所以我们将带宽设置为55赫兹左右,并保持相位裕度为60度。在选定的带宽下,控制器将遵循参考电压,同时拒绝整流交流源的120Hz振荡。
然后我们用计算的增益更新电压PI控制器。为了验证非线性模型的性能,让我们对参考电压进行阶跃变化。仿真结果表明了该控制器的鲁棒性。
现在,让我们将电压源切换回原始交流电网并运行模拟。
我们可以看到,电感电流和输出电压剖面显示出良好的参考跟踪。从交流电网引出的线电流类似于一个完美的正弦曲线,比控制器调谐之前的电流曲线要好得多。我们看到谐波减少,从而提供更好的功率因数。
总之,在这个视频中,我们展示了如何在Simulink中模拟、设计和调整功率因数校正的数字控制算法。金宝app设计完成后,下一步就是从Controls子系统生成代码,部署到嵌入式控制器上,用物理设备进行测试。视频到此结束。
你也可以从以下列表中选择一个网站:
选择中国站点(中文或英文)以获得最佳站点性能。其他MathWorks国家/地区网站未针对您所在地的访问进行优化。