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谐控制器增益来实现功率因数接近于单位的功率因数校正。像二极管桥式整流器和升压变换器这样的无源组件是在Simscape Electrical™中建模的。级联控制器在Simulink中建模,控制内部电感电流环和外部电压环。金宝app您将看到如何使用来自Simulink控制设计的PID调谐器来使用线性化工厂模型的输金宝app出来调整控制器。植物的线性化是通过注入摄动到植物来估计频率响应模型的内部和外部环。金宝appSimulink Control Design利用这些响应模型计算PI增益,并通过运行闭环仿真验证了控制器的性能。
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 Electric和Simulink的块建模了典型的有源功率因数校正设置。金宝app让我们来看看模型的不同元素。我们具有连接到二极管桥式整流器的120V RMS的AC源。该整流器连接到数字控制的升压转换器和400V的电阻负载。
我们在命名控件中建模了该子系统中的数字控制算法。我们可以看到算法是级联控制环路架构。外环控制负载电压,内部环路控制电感电流。
我们的控制算法计算驱动升压变换器MOSFET的PWM信号。在这个视频中,我们将不讨论无源组件的大小。我们将使用模型中已经存在的电感和电容的参数值,但重要的是要注意,我们可以很容易地改变这些值,运行模拟,并观察变化。因此,我们可以使用这个仿真模型来选择无源元件的最优参数值,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,我们需要获得线性植物动力学模型。对于内循环,我们需要从PWM占空比获得动态到电感电流。我们将使用Simulink控制设计中的线性分析工具来执行此操作。金宝app使用此工具,我们可以通过执行交流扫描来估计模型的频率响应。我们需要在适当的操作点或偏见点围绕这种交流扫描。要进行交流扫描,我们必须用DC源代替交流电压源。
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。
我们可以通过分别将这些信号标记为输入和输出线性化点,指定我们对从PWM占空比的动态感兴趣到电感电流感兴趣。模拟在约〜0.15秒内达到稳态,因此我们将在达到稳定状态时当时开始频率响应估计。接下来,我们指定我们将使用0.2微秒的示例时间注入模型的示例时间。我们将频率扫描范围从10Hz到15kHz设置为0.036以确保在操作范围内充分激发。我们选择该信号幅度足以不足以让我们远离我们的操作点。
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。
在下一步中,我们将控制子系统中的当前PI控制器设置为参考和测量的电感电流以在闭环中运行。
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。
使用内部电流循环调谐,我们将重复该过程以调整外部电压环。在控制子系统中,这里的1的常量块表示电感器电流请求。在我们的最终模型中,该信号将由外部电压环路计算。因此,对于调整外环,我们的输入线性化点是该信号,输出线性化点是输出电压信号。
仿真达到稳定状态约为0.4秒,因此我们将讲述线性分析工具在此时的频率响应估计。我们将固定步骤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。扰动的幅度设定为0.1,以确保足够的激发。我们现在可以运行该工具并计算调整外环的频率响应。
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,我们使用计算的增益更新电压PI控制器。要验证非线性模型中的性能,请让我们在参考电压中运行步进变化。仿真结果显示了强大的控制器性能。
现在让我们将电压源切换回原始的AC网格并运行模拟。
我们可以看到,电感电流和输出电压分布显示良好的参考跟踪。从交流电网绘制的线电流类似于一个完美的正弦波,比我们在控制器调谐之前的电流轮廓要好得多。我们看到谐波降低了,从而提供了更好的功率因数。
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。
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