一種改進的DSP固定點采樣算法

摘要：高頻開關(guān)動作產(chǎn)生的振蕩對數(shù)字采樣有一定的影響，以Boost型PFC電路為例，分析了受影響區(qū)間，進而提出線性外推的改進算法。最后把此算法運用到一個實驗?zāi)Ｐ椭校瑢嶒灲Y(jié)果證明了該算法的有效性。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；功率因數(shù)校正；采樣算法

圖1Boost型的PFC原理圖

1引言

電力電子裝置中采用的PWM技術(shù)由于能有效地抑制諧波，動態(tài)響應(yīng)好，使變流器的可靠性大大提高。工作頻率越高，上述優(yōu)點就越突出。 PFC的反饋調(diào)節(jié)一般采用PWM技術(shù)。PWM技術(shù)要求功率電路具有高的工作頻率，因而對控制電路頻率也提出相應(yīng)的要求。傳統(tǒng)的模擬控制已逐漸由具有處理速度快、靈活、精確、可靠等優(yōu)點的數(shù)字控制所取代。具有高速處理平臺的數(shù)字信號處理器（DSP）是一個較理想的選擇。采用DSP作為PFC的控制電路，概括已有的研究成果，作者認為：采用傳統(tǒng)的固定點采樣方法，由于開關(guān)點的不確定，容易受開關(guān)通斷動作時所出現(xiàn)的高頻噪聲的影響，以至采樣準(zhǔn)確度大受影響。為使受控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，文獻[2]提出了跳過受影響的區(qū)間進行采樣的算法,即不定點采樣算法，取得了不錯的效果。本文針對開關(guān)動作對采樣的影響，詳細分析了存在的開關(guān)振蕩區(qū)間，并給出其表達式。在此基礎(chǔ)上，提出針對該問題的另一種解決辦法——線性外推的固定點采樣方法，并給出了采樣點的選取原則。將此算法用于一個實驗?zāi)Ｐ椭校瑢嶒灲Y(jié)果證明了理論分析的正確性與線性外推算法的可行性。

2基于DSP的PFC控制策略

基于Boost的PFC原理如圖1所示。

有源校正的目的是，在滿足負載電壓為平穩(wěn)的直流電壓前提下，通過PWM策略控制開關(guān)器件的通斷，使通過電感L的電流即網(wǎng)側(cè)電流具有近似正弦的波形，且與網(wǎng)側(cè)電壓相位相同，整個電路的功率因數(shù)接近1，具有功率因數(shù)校正的目的。

圖2含高頻諧振的采樣電流(5A/div）

傳統(tǒng)的采樣模擬控制，其控制部分如圖1中的虛線框所示，若用DSP，則該部分的功能由DSP及其外圍設(shè)備代替。框中的關(guān)鍵部件為基準(zhǔn)信號發(fā)生器（也稱乘法器）。其輸入信號由反映輸出電壓精度的誤差信號和反映網(wǎng)側(cè)的電壓信號組成，其輸出作為控制開關(guān)管的基準(zhǔn)與反映電感電路iL的信號比較，進行控制開關(guān)管的通斷時間。因此必須采樣輸入電壓Vin，輸入電流iL，和輸出電壓Vout。對它們不失真采樣是實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦，保持輸出電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵。一般的策略是：本開關(guān)周期利用上一周期計算的開關(guān)時間值控制開關(guān)，利用本周期的采樣量計算下一周期的開關(guān)時間，依次類推。

3單周期單采樣方法的現(xiàn)狀

為了提高轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，一般采用每周期采樣一次的方法。但由于開關(guān)噪聲的存在，在開關(guān)動作時總伴隨著一定時間的高頻振蕩，如圖2所示。如果僅有的一次采樣剛好發(fā)生在振蕩區(qū)間，無疑將使采樣失真，直接影響電壓的穩(wěn)定。事實上這種情況是存在的。

幾乎所有的脈寬調(diào)制電路的開關(guān)點是不定的，這在PFC類型的電路中尤為突出。因為其輸入是正弦波，有零到峰值的變化范圍，所以要保持輸出穩(wěn)定，相對應(yīng)的占空比必須有接近于1到0的變化范圍。這樣就會導(dǎo)致在某個時間段，采樣總會發(fā)生在高頻振蕩區(qū)間。文獻[2]采用一定的算法避開此區(qū)間采樣，即不固定點采樣算法，取得了比較理想的控制效果。

4線性外推的采樣算法

設(shè)開關(guān)周期為T，定點采樣時間為χ，采樣時間為tsam，振蕩時間為tosc，占空比為D，Uinsinωt為輸入電壓，U0為輸出電壓。

4.1PWM調(diào)制的占空比分布

由于正弦波周期遠大于開關(guān)周期，故可以直接運用Boost電路的直流增益公式=ωt≠0，π(1)D=1－sinωt(2)

圖3中，顯示了一個正弦脈沖中的占空比的變化情況。

4.2采樣到諧振信號的區(qū)間推導(dǎo)

可見，在一個脈沖周期內(nèi)，占空比先由1變到0，再由0變到1。如果采用固定點采樣，將可能在兩個對稱的區(qū)間上采樣到開關(guān)諧振信號。由于對稱，故只需求解0—π/2的區(qū)間。

由圖4可知，在0—π/2的區(qū)間中，可能采樣到開關(guān)諧振信號的區(qū)間為

χ－tosc

結(jié)合式（2），此區(qū)間用角度表示為θ=arcsin〔(1－)〕－arcsin〔(1－)〕

(3)

因為θ′<0，所以χ越大，θ越小。但為保證在T－χ時間內(nèi)能夠完成下周期占空比的計算，不能太大。

4.3線性外推算法

當(dāng)χ的取值盡可能大，同時又滿足T－χ時間內(nèi)能完成計算任務(wù)，θ的取值一般在10°到20°之間。可

一種改進的DSP固定點采樣算法

圖3脈沖波和相應(yīng)占空比對比圖

圖4一個采樣周期的時間分布

()

POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS

Vol.5No.10

October2002

第5卷第10期

2002年10月

圖5算法流程圖

vin:150V/div,iin:10A/div,t:5ms/div圖6輸入電壓和電流波形

見，不確定采樣范圍很小，其斜率變化也不大，可以采用線性外推算法進行糾正。一般開關(guān)諧振幅值都比較大，我們可以預(yù)設(shè)一個較大的偏差值，當(dāng)采樣值和線性外推值之差超出此預(yù)設(shè)偏差，就認為采樣發(fā)生在振蕩區(qū)間內(nèi)，這時就用線性外推值代替采樣值，繼續(xù)計算。算法流程為

雖然θ與高頻振蕩時間Tosc有關(guān)，但Tosc的估計偏差只會引起θ小范圍的變化，不會導(dǎo)致算法根本失效。

5實驗結(jié)果

將此算法運用到一個1kW的變換器中，選用比較常用的TMS320F240控制芯片。考慮各方面因素，選用30kHz的開關(guān)頻率，則開關(guān)周期為33μs，因算法簡單，計算下一周期占空比的時間不超過5μs，故采樣點選在20μs處。其輸出波形如圖6所示，功率因數(shù)為0.978。

6結(jié)語

本文對高頻振蕩區(qū)間的求解和線性外推思想的運用，成功地解決了PFC電路數(shù)值采樣過程中高頻振蕩的影響。文中的方法和結(jié)論對于分析、設(shè)計和調(diào)試所有含開關(guān)的數(shù)字采樣電路均有實用參考價值。

參考文獻

[1]蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學(xué)（第一版）[M].科學(xué)出

版社，1993.

[2]JinghaiZhou.NovelsamplingalgorithmforDSPcontrolled

2kWPFCconverter[J].IEEEtran.PE,2001,16:217－222.

[3]S.WallandR.Jackson.Fastcontrollerdesignforsingle?

phasepower?fctorcorrectionsystem[J].IEEEtran.IE,