哈斯dina, MathWorks
功率因数校正(PFC)是一种增加电源的能力提供实际功率的方法。在这个视频中,你将学习如何使用Simulink万博1manbetx®通过建模PFC升压变换器和调谐控制器增益来实现接近统一的功率因数校正。无源组件,如二极管桥式整流器和升压转换器是在Simscape Electrical™中建模的。在Simulink中建立级联控制器的模型,控制电感电流内环和电压外环。万博1manbetx您将看到如何使用PID调谐器从Simulink控制设计,以调整从线性化的工厂模型的万博1manbetx输出控制器。电站线性化是通过注入扰动电站估计频率响应模型的内和外环。万博1manbetxSimulink 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 Electrical和Simulink的模块建模了一个典型的有功功率因数校正设置。万博1manbetx让我们看看模型的不同元素。我们有一个有效值120V的交流电源连接到一个二极管桥式整流器。这个整流器连接到一个数字控制升压转换器和额定400V的电阻负载。
我们在这个名为Controls的子系统中建立了数字控制算法的模型。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,驱动升压转换器的MOSFET。在这段视频中,我们不会讨论无源组件的大小。我们将使用模型中已有的电感和电容的参数值,但重要的是要注意,我们可以轻松地改变这些值,运行仿真,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。
在这个模型中,控制器的PI增益被设定为初始的猜测。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来看到这一点。在这个图中,我们可以看到黄色的线电压和蓝色的线电流。电流波形显示谐波的存在,这导致一个较差的功率因数。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,以获得当前环的最优PID增益。内环调整后,我们将对电压外环进行调整,以计算电压环PI控制器的增益。
为了进行调整,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。我们将使用Simulink控制设计中的线性分析工具来实现这一点。万博1manbetx利用这个工具,我们可以通过交流扫描估计模型的频率响应。我们需要在适当的操作点或偏置点周围进行交流扫描。为了进行交流扫描,我们必须把交流电压源换成直流电源。
该模型在其直流工作点运行,直流电压源为120V,稳态占空比为0.72 [AT1],以保持400V直流输出恒定。
通过将这些信号分别标记为输入和输出线性化点,我们可以指定我们对从PWM占空比到电感电流的动态感兴趣。仿真在约0.15秒时达到稳态,因此我们将在达到稳态时进行启动频响估计。接下来,我们指定将采样时间为0.2微秒的固定步长正弦流输入注入模型。我们将扫频范围设置为10Hz ~ 15kHz,信号幅值设置为0.036,以确保工作范围内有足够的激励。我们选择这个信号的振幅足够小,不带我们离开我们的操作点。
然后我们开始频率响应估计。对该模型进行了仿真,计算了设备的频率响应。我们将把它导出到MATLAB工作空间,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控制器与参考和测量的电感电流以在闭环中运行。
接下来,我们通过按下方块对话框中的调谐按钮来调整PI控制器块的增益。这将启动PID调谐器,尝试自动线性化工厂。因为在这个模型中我们有不连续,如mosfet和PWM开关,模型不能线性化分析。但是,这是可以的,因为这正是我们之前进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闭环系统运行。我们可以使用滑块来调整带宽和相位裕度。我们将为约3.760千赫的带宽和60度的相位裕度进行调整,以保持一个稳健的电流参考跟踪。
现在我们可以将计算得到的PI增益更新到模型的PI块中。
调谐内部电流环后,我们将重复这个过程来调谐外部电压环。在控制子系统中,这里的恒定块1表示电感电流请求。在我们最终的模型中,这个信号将由外部电压环来计算。为了调整外部回路,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秒左右达到稳定状态,因此我们将告诉线性分析工具在这个时间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,交流扫频范围为10Hz ~ 5kHz。扰动的振幅设为0.1,以确保有足够的激励。我们现在可以运行该工具并计算频率响应来调整外部环路。
接下来,就像我们为内环所做的一样,我们将使用Voltage PI控制器设置外部环Controls子系统,并通过启动PID Tuner来开始调整。同样,与我们对内环所做的类似,我们引入先前估计的频率响应来计算PI增益。电压回路比内部电流回路慢,因此我们将带宽设置为55hz左右,并保持相位裕度为60度。有了这个选择的带宽,控制器将遵循参考电压,而拒绝120Hz的整流交流源振荡。
然后,我们更新电压PI控制器与计算的增益。为了验证非线性模型的性能,让我们在参考电压中运行一个阶跃变化。仿真结果表明该控制器具有良好的鲁棒性。
现在让我们将电压源切换回原来的交流电网并运行模拟。
我们可以看到,电感电流和输出电压曲线显示良好的参考跟踪。从交流电网引出的线电流类似于一个完美的正弦曲线,比我们在控制器调谐前的电流轮廓要好得多。我们看到谐波的减少,从而提供更好的功率因数。
总结一下,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。万博1manbetx设计完成后,下一步就是从Controls子系统生成代码,部署到一个嵌入式控制器上,用一个物理设备进行测试。视频到此结束。
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