三相维也纳PFC拓扑设计方案 - 1.4 软件基本结构及测试结果

大家好 我是TI Century FAEIgor An 今天我将为大家介绍由TI C2000 Solution Team开发的 三相维也纳PFC的参考设计 希望通过这个参考设计能让大家了解到 在三相维也纳PFC的系统中有哪些TI的芯片 可供大家参考和选择 同时也非常希望 我们在实现三相维也纳PFC的控制算法上 能对您有所启发和帮助 下面这部分我将为大家介绍 我们在实现三相维也纳PFC控制回路的软件中 软件设计的基本架构以及我们软件设计的基本思想 还有一些我们的测试结果给大家展示一下 那软件的基本架构首先那个 其他的架构和我们的 C2000之前的这些解决方案基本类似 那我们主中段 还有几个
后台的task就基本这种配置 那我们在这个应用中那我们为了方便大家去调适 或者是将我们的程序移植到您的这个开发的板子上 我们做了两个主要文件一个solutions.h .c 一个board.h .c 这个board就是设置您的芯片相关外设的一些定义 以及一些板子上采样回路的比例等等这些定义 那是用这种红的形式去给您的 那到时候如果您需要换C2000其他的芯片 或者是换这个板子那我们就改这两个.c .h 就可以把所有的配置更改掉就可以换 然后这个solution.c .h实际上就是一些控制相关的 一些性能相关的参数的配置 那基本上我们就维护这几个文件 那就可以维护整个工程了 那当然还有一个settings.h也是一个基本配置文件 那我们设计的这个方向 就是在您对这个方案进行调适或是更换板子 那我们只有几个文件去更改其他的地方您就不用动 就可以实现 那这就是我们一个设计的思想 然后在这个实际的软件编制中我们一如既往地沿用这个 C2000参考设计的方式 就给大家编了几个BUILD level的等级 那每个BUILD level逐渐增高实际上是我们这个环路逐渐完整 就方便大家拿到一个新板子之后 首先通过软件的一些设置去测试硬件 然后把PWM驱动等等这些回路进行验证 再进一步验证我AB采样然后再电流环比环电压环比环等等 一步步把我们整个环路完整起来 那这个在保证我们整个系统安全的情况下 让系统一步一步的完全工作起来 那下面几张图呢就给大家框图的视角 直观地让大家看看从BUILD1到BUILD4 每个BUILD的level它里面包含的内容 那BUILD1实际上我们就是讲开换测试 那实际上就是发一个开换的duty来进行测试 那这里有一个细节请大家注意就是我们这里拉一根虚线到这 就是在进行这个BUILD 1 2 3的时候 我们都需要能在实际的硬件的系统上接一根中线 来维持我正负母线的平衡因为我在进行这些开环 或者这种不完全测试
并没有母线平衡这个环路 把母线这两个进行平衡如果不连这根线的话 您会发现我整个系统工作起来以后 我的所有电压都跑到一个电容上去了 另一个电容上可能就是零 那所以这根线您在开换测试的时候需要连接 在这个开环测试阶段第一个我要验证我的 整个驱动是不是正常从我的MCU出来的驱动 到我功率管的驱动甚至我可以去测量一下Vds 这个是不是正常就是验证驱动 同时我会验证我的各项采样三相电流采样 电压采样 以及正负母线的这个采样我都会去做一个验证 看看是不是跟我
理论设计的一个变比相吻合 那BUILD level 2实际上我们就是
把这个电流环引了进去 这个我们是用一个开环duty的形式 之前我们叫feed forward前馈以前馈的方式去往外发拨 然后就是有一个电流环的计算
和一部分电流反馈 那这个实际上形成了一个电流闭环 那通过这个kp调节一下电流闭环 那我们注意到这个时候我们中线要连 那BUILD level 3我逐渐加入了电压环 那请注意这个电压环是我们整个这个 两个电容和的这个母线的
总体电压跟这个电压环 那这个时候我的中线还是连着的 BUILD level 4那我们加入了这两个电压环的这个 电压的差的这个电压环 中线就可以去掉了因为我们有一个环路 
维持我们两个正负母线的平衡 那到了BUILD level 4
 我们整个控制环路都已经闭合起来了 那我们就整个系统能够正常工作起来了 当然在这个所有能build的level1234这个开始之前呢 我们有一些最基本的配置或者验证要去做 最重要的就是我们的过流保护 就是防止我在哪怕是BUILD level1 我做开环测试的时候 一些异常情况导致我这个管子损坏 那首先我在做其他任何测试之前 首先我要做这个过流保护的
这个测试和验证 下面就给大家展示一些我们的测试结果 这个就是我们实测下来的一些波形 那这个就是PS没开之前的整流它的THD和PF 那开起来之后我们的THD是2.5% 那这个呢 PF 99.7% 那这个实际上我们这里应该是标定以下 我们的THDU大概是多少 那我们这个测试环境实际上 输入电压是我们用AC Source
所以是非常干净的一个电压源 所以这个其实THDU是非常好的 那我们也可以替THDI达到一个不错的指标 那我们这个直接讲THDI还要参考THDU的值 那这里是有一些这个THD PF 和效率 跟我们这个不同功率的这个列表 或是它的一个趋势图 那么看到最高效率可以到98点多 不到98.5 那PF值一直很稳那THD 那我们从这里面可以大概看一下这个 我们实现系统的一些指标 对这个是我们的这个230伏和400伏 三相AC的时候它的一些指标值 那效率比我们的这个110伏 120伏这个系统中会稍微要高一点 那这个就是稳态工作的一些
 这个波形和它的数据结果 这个可以到0.96 1400瓦这个很大功率的时候它的THD也变得非常好 功率越大这是在400伏AC数的时候 然后最后呢 我们想跟大家这个严重推荐一下 我们数字电源的辅助工具 就是我们集成在PowerSUITE
里面的SFRA这一部分功能 那我们会有一个图形化界面帮助您去画出您的闭环波特图 注意是闭环波特图 这个就是有点像是我们MATLAB里面那个波特图 或者是Control Box这种帮助我们去设计矫正器的工具 那我们这个是有一个SFRA的一个软件庫 那对于所有C2000数字电源解决方案 那我们都包含这部分功能 同时在所有用C2000芯片做电源的这些客户 
都可以把SFRA这个库拿出来去用 我们只要了解它这个接口的输入输出就可以把这一部分功能 集成在它的系统中那这个SFRA是什么呢 它是一个我们简单讲 就是一个环路分析仪的功能 它会在您的正常的控制信号的
 基础上叠加一个额外的扫频信号 那它扫频的频率范围是可以设定的 我是要几百赫兹到几K 那当然这有个限制就是你的开环频率 它是不可能超过
您开环频率的这个频率的 所以在这一定的设定频率范围内 它会去注入一个扫频信号同时去采回它的反馈 做一些频率的频谱分析 然后把闭环的波特图给画出来 那这是我们实际两个环路调适的时候我们实际的波特图 那这个功能啊 是对很多这个系统在调试阶段是非常有帮助的 一个是可以帮助您省掉去购买这个 环路分析硬件设备的钱 那因为这部分软件TI是免费给大家使用的 就是您随时可以去TI官网下载ControlSUITE 那里面PowerSUITE工具包里就包含这个SFRA库 有非常详尽的使用说明 我们有图形化的解决方案您可以直接从图形化的界面上 去开发一些我们支持的拓普 那包括三相维也纳PFC拓普 那现在我们支持图形化开发 那在整个开发过程中从配置PWM端口到配置AD端口 以及各个采样回路的变比等等这些环节 都是通过图形化界面去配置 那到后面等我去设置矫正器那也是有图形化界面 并且有SFRA辅助的compositor designer这部分工具 帮助您去设计矫正器那整个这一趟下来全都是统一化界面 然后后台是自动生成代码 就是您在这个开发过程中
是不需要自己手写代码的 那这个目前我们是只支持几种特步那三相维也纳PFC是其中一个 那Interview PFC也是一个还有单相的逆变也是一个 还有几个叫LLC[听不清]等等 大家可以到我们的PowerSUITE上去查看 而且我们后续会不断去增加这些我们 支持的图形化界面开发的这个电路拓普 逐渐丰富这个部份那如果大家觉得
这个 图形化界面限制不够灵活的话 那我们可以直接把这个
SFRA库集成到您的软件中 就单独的实现那可以利用外围的这个图形化界面 那软件内部是用你自己集成的SFRA库 好那另外一个要提到的就是 所有的PFC都会遇到的问题就是一个矛盾点 就是我THD的指标 和我PFC输出电压的动态指标 动态性能 它是一个矛盾点因为我们有一个规律就是 如果把我电压环的带宽放得很大 就是我电压环的反应速度非常快的时候 那么这个时候我THD的指标就会下降 就会变差 那如果我把电压环的带宽变得很小 反应变得很慢 我的THD指标会变好 但是我这个时候突加在这个母线电压的扩充就会很难 这里有一个例子就是我们去动态改变电压环的参数的时候 它的扩充以及我们有何动态改变 那这个解决的方法
也是比较简单的一种方式 就是我去切电压环的PI参数我用两套PI参数 那我用一个判断的条件 如果电压的跌落或者扩充过大了 我马上把电压环的控制
切换成一个快速的参数去控它 那就是在动态特性的时候我用一组快速参数 在稳态特性的时候我用一组慢速参数 那这样两个的目标
我们基本上实现了兼顾 那当然还有其他一些手段可以帮助我们去解决这一对 PFC里面固有的矛盾那比如我们加加notch或者comb一类的filter 那各种方案都是有它相关的优缺点那大家可以根据自己 应用的需求去进行选择 那最后给大家几个我们所用到的一些参考 那这是一些文章的参考 还有就是我们TI的一些资源参考那我们做出来的三相维也纳PFC 在我们TI内部是一个TIDesigns的形式 那它的Design号就是TIDM-1000 我们TI有非常多的TIDesigns主要是利用TI各种型号的芯片 去做出一个参考设计 来帮助大家熟悉理解TI的产品同时也希望我们的这种实现方式 在软件和算法上能对您有所启发和帮助 那同时我们用的这个主控芯片是28377D 那这颗芯片是我们新一代的C2000芯片 它是有两个这个C28的主核和两个C1A的核 所以相当于是四核的MCU 那每个核的主频都有200兆 所以它的这个计算能力和各种外设能力都是得到了非常大的提升 那ControlSUITE是我们C2000主要共享资源的一个软件 在这个软件里面包含
我们C2000各个芯片的data sheet 和相关的介绍资料以及我们开发的各种EVM板的这个所有资料 包括原理图 PCB gerber file再加上它对应的这个软件算法 那包括我们的数字电源也包括我们的电机控制 电机控制箱 有传感 无传感各种类型BLDZ PMSM 还有ACI等等 那我们所有TI所做的在数字电源
和电机控制上面的一些工作 都在这个ControlSUITE上有所共享 那PowerSUITE是ControlSUITE的一个工具包 它的一个功能就是我们之前介绍的 它主要是针对数字电源的一些典型的拓普 而做的一个图形化的界面 那帮助大家去上手或者去开发自己的产品 那会自动生成代码 那还有就是我们的这个变量环境就是我们C2000 我们都是在我们TI的CCS里面Code Composer Studio去编辑的 那目前我们的CCS大家都可以直接从网上下来用 好 我所介绍的部分就到这里 欢迎大家继续关注TI的各种产品谢谢大家