功率因數校正 （PFC） 對工業(yè)電機驅動越來越重要，主要是由于公用事業(yè)側對諧波含量的監(jiān)管增加。額外的好處包括效率、電壓質量和導體額定值。數字 PFC 控制器比模擬控制器更昂貴并且可能更復雜。然而，當考慮到主電機控制處理器的功能時，它們可以在整個系統(tǒng)設計中提供顯著的附加值。

PFC 可以使用有源電路拓撲（例如單相或三相升壓整流器）來實現(xiàn)，也可以通過無源方法來實現(xiàn)，這涉及明智地使用低頻電感器和電容器來塑造 AC 線路電流包絡線。兩種形式的 PFC 都試圖重現(xiàn)與線路電壓同相的正弦或接近正弦的線路電流，從而最大限度地減少產生損耗的諧波電流和來自公用事業(yè)的無功功率流。有源和無源 PFC 之間的權衡與成本、無源元件重量和體積以及 PFC 相關的損耗有關。

在單相電機驅動器中，有源 PFC 相當受歡迎。對于三相系統(tǒng)，無源諧波校正更受歡迎，通常涉及三相線路中的 50 或 60 Hz 大電感，或整流器直流側的單個電感。然而，轉向更高功率的有源 PFC 具有優(yōu)勢。有源 PFC 解決方案（直流或交流側）在電感器尺寸、更低的功率損耗、更輕的重量和功率因數方面提供了最佳解決方案。

在單相應用中，例如低功率電機驅動器，整流器輸入升壓轉換器（如圖 1 所示）是默認設置。這些轉換器的開關頻率通常在 50 至 100 kHz 范圍內，因此需要更小的直流側電感器而不是被動的解決方案。對于三相系統(tǒng)，涉及交流或直流側高頻電感器的單開關拓撲是可能的。

圖 1：單相升壓 PFC 電路。

實施 PFC 控制的一個障礙是與 PFC 電路和 PFC 控制器相關的額外成本。在處理器位于隔離柵的安全超低電壓 （SELV） 側的系統(tǒng)中就是這種情況。在這里，由于需要將交流側測量和控制信號與處理器 I/O 和 ADC 隔離開，因此在主電機控制處理器內實現(xiàn) PFC 控制會帶來額外的復雜性和成本。此外，通過處理器實現(xiàn) 50 至 100 kHz 的 PWM 控制，該處理器通常為 10 至 20 kHz 的 PWM 頻率服務電機控制應用而優(yōu)化，這可能是一個困難的匹配。

在這種情況下，一種選擇是使用便宜的模擬 PFC 控制器，例如UC3854，并使其獨立于主系統(tǒng)控制器運行。然而，通過將數字 PFC 控制器（例如ADP1047）與電機控制處理器和數字隔離器結合使用，可以獲得附加值。然后，處理器可以將一些排序、監(jiān)控和保護功能卸載到 PFC 控制器，并在降低成本的同時增強整個系統(tǒng)能力。這種安排可用于：

啟動和關閉排序

系統(tǒng)級狀態(tài)信息

用戶界面顯示信息

監(jiān)測異常情況

最小化傳感器要求

備份測量/冗余

作為整體系統(tǒng)故障保護的一部分

控制器優(yōu)化（通過效率）

典型數字 PFC 控制器部件的潛在系統(tǒng)監(jiān)控、保護和排序覆蓋范圍如圖 2 所示。從系統(tǒng)設計的角度來看，在主處理器的控制和監(jiān)督下利用 ADP1047 等部件的集成功能的優(yōu)勢很明顯。盡管 PFC 控制器本身的成本可能高于其模擬控制器，但總體系統(tǒng)成本、復雜性和傳感器數量都可以降低。

圖 2：電機控制系統(tǒng)中的數字 PFC 控制器覆蓋范圍。

硬件平臺

圖 3 描述了一個用于驗證真實電機控制系統(tǒng)中的信號鏈組件和軟件工具的實驗平臺。該系統(tǒng)代表一個功能齊全的 PMSM 電源輸入電機驅動器，具有電源-因子校正、完全控制和通信信號隔離以及光學編碼器反饋。

圖 3：通用交流輸入電機控制平臺。

該系統(tǒng)的核心是一個 ARM Cortex-M4 混合信號控制處理器（ADSP-CM408）。PFC前端控制由ADP1047執(zhí)行，具有精確的輸入功率計量能力和浪涌電流控制。ADP1047 專為單相 PFC 應用而設計；ADP1048 專為交錯式和無橋 PFC 應用而設計。

數字 PFC 功能基于傳統(tǒng)升壓 PFC，將輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相乘，為 AC/DC 系統(tǒng)提供最佳諧波校正和功率因數。所有信號都轉換為數字域，以提供最大的靈活性；所有關鍵參數都可以通過 PMBus 接口進行報告和調整。

ADP1047/ADP1048 讓設計人員能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能，最大限度地提高整個負載范圍內的效率，并縮短設計上市時間。靈活的數字控制 PFC 引擎與準確的輸入功率計量相結合，有助于采用智能電源管理系統(tǒng)，從而做出提高最終用戶系統(tǒng)效率的決策。該器件通過在輕負載時的可編程頻率降低和在輕負載時降低輸出電壓的能力來支持額外的效率改進。

系統(tǒng)操作

處理器和 PFC 控制器之間的通信通過 I2C/PMBus 接口進行，I2C 數字隔離器提供域之間的接口（圖 5）。處理器位于 SELV 電氣域中，PFC 控制器參考高壓域中的直流總線共軌。三相逆變器的柵極驅動器開關信號通過一個雙通道隔離器從處理器 PWM 模塊路由。I2C 接口的數據和時鐘信號以及通用數字信號也通過數字隔離器路由。

圖 5：數字信號的隔離。

PFC 控制器管理升壓 PFC 電路的控制和監(jiān)控。這些任務從主要的電機控制軟件工作流程中卸載到低優(yōu)先級例程中（圖 6）。PFC 控制器參數在啟動過程中進行配置，但如果此功能可用，通常可以通過將配置參數寫入控制器的 EEPROM 來跳過此步驟。如圖 6 所示，在典型的電機控制系統(tǒng)中，速度和電流測量以及 PWM 控制器更新將通過高優(yōu)先級中斷處理，其中電流測量與 PWM 信號同步。PFC 控制器可以設置為處理輸入側測量，例如輸入交流線路電壓和電流、直流總線電壓、輸入功率和 PFC 電路溫度。這些測量對于電機控制算法來說并不重要，但無傳感器算法中的直流總線電壓測量可能除外。但它們對于整體系統(tǒng)級監(jiān)控和控制器優(yōu)化很重要。因此，可以在低優(yōu)先級 I2C 數據處理任務或中斷例程中請求和處理它們，并以與系統(tǒng)監(jiān)控時間常數相匹配的調度速率。

圖 6：主電機控制程序結構。

該平臺的 Micrium Probe 用戶界面，其中直流總線參考電壓已設置為 250 V。可以清楚地看到與電機控制相結合的交流和直流側變量的監(jiān)控。

處理器上額外的傳感器、數字 I/O 和模擬引腳的節(jié)省，以及測量變量的縮放和解釋中的軟件開銷，可能意味著處理器成本的降低，因為能夠選擇較低的性能變體，或為其他更高優(yōu)先級或系統(tǒng)增強功能釋放處理器硬件和軟件占用空間。

在此示例中，與交流線路電壓相關的系統(tǒng)啟動排序、直流總線欠壓、過壓和交流側過流保護均由 PFC 控制器處理。然而，在這方面，在整個系統(tǒng)設計中必須謹慎行事，因為主控制處理器應始終了解 PFC 控制器正在采取的控制或保護措施，因此它不會因以下原因而采取獨立行動次要效果。

這方面的一個例子是，由于直流總線上的瞬態(tài)過電壓（例如，由于電機制動事件），PFC 控制器對 PWM 信號執(zhí)行全局禁用。如果控制器沒有意識到這一點，它將繼續(xù)（不成功）嘗試調整 PWM 輸出以維持其工作點。如果 PFC 控制器在過壓瞬態(tài)消失后重新啟用 PWM，則系統(tǒng)可能會由于 PWM 占空比的突然大幅增加而發(fā)展為二次故障。因此，必須小心管理 PFC 控制器和電機控制處理器之間的保護和排序通信。

審核編輯：郭婷