基于升压变换器的永磁同步电机输入功率因数校正磁场定向控制
本示例展示了如何使用 C2000™ Microcontroller Blockset 通过升压转换器实现功率因数校正 (PFC)。该示例使用德州仪器 F28069M 控制卡和高压电机控制套件 (TMDSHVMTRINSPIN)。
使用此示例，您可以：
使用带阻性负载的升压转换器实现 PFC。
将永磁同步电机的磁场定向控制 (FOC) 与输入因子校正相结合。
通过这个例子，您将学到：
使用升压转换器仿真 PFC。
使用 QEP 编码器将电机作为 PFC 负载运行
为控制器生成代码并将其加载到 ControlCARD 上。
利用主机监控信号。
必需的硬件
F28069M controlCARD
30 欧姆的电阻负载
50 欧姆电阻负载（用于电机负载）
PMSM BLY171D（用于电机负载）
硬件连接
对于阻性负载
高压电机控制套件 (TMDSHVMTRINSPIN) 配置包括以下硬件组件：
F28069M controlCARD
直流电源
阻性负载
调压器
以下步骤描述了高压电机控制套件 (TMDSHVMTRINSPIN) 的跳线连接、开关设置和电源连接：
1.安装跳线 [Main]-J3、J4 和 J5、J9，用于 3.3V、5V 和 15V 电源轨。
2.将 DIMM 型控制卡从包装中取出，并将其放入 [Main]-J1 的连接器插槽中。
3.对于具有板载隔离仿真功能的控制卡，例如：TMDSCNCD28069MISO：
在高压套件上安装 M3-J5（禁用高压套件模拟器的电源）
请勿在高压套件上安装 J9 引脚（否则将禁用 JTAG 连接）。
4.在 F28069 ISO 控制卡上，确保以下开关设置：
SW3：位置 1 开启，位置 2 开启。
SW2：位置 1 关闭，位置 2 关闭。
SW1：位置 1 开启，位置 2 开启。
5.将 15V 直流电源连接到 [M6]-JP1，并确保 [M6]-SW1 处于“关闭”位置。
6.将香蕉插头线从 [Main]-BS1 连接到 [Main]-BS3（这将把整流器输出连接到升压转换器输入）。
7.将香蕉电缆从 [Main]-BS4 连接到 [Main]-BS5（这将包括逆变器直流母线电容器与 PFC 输出级电容器并联）。
8.通过可调变压器将交流电源连接到 [Main]-P1。确保套件的交流输入电压在 15 至 18 伏范围内。
电机负载
高压电机控制套件 (TMDSHVMTRINSPIN) 配置包括以下硬件组件：
F28069M controlCARD
直流电源
阻性负载
调压器
确保将电阻负载的连接方式也应用于电机负载。
在 (BS5 和 BS6) 之间连接一个电阻。
将三相电机端子连接到 MAIN-[TB3]
将 QEP 端子连接到 MAIN-[H1]。有关详细信息，请参阅永磁同步电机正交编码器偏移标定
可用模型
阻性负载
c28069pfchvkit.slx仿真、生成代码并将其加载到 F28069M 控制卡上。c2000_host_pfc.slx在主机上运行以记录信号。
电机负载
c28069pfcmotorcontrolhvkit.slx仿真、生成代码并将其加载到 F28069M 控制卡上，用于电机负载模型。c2000pfcmotorcontrolhostmodel.slx在主机上运行，用于记录电机负载主机模型的信号。
该模型由被控对象模型和控制器组成。该被控对象模型由三个主要模组组成：
AC-DC 整流器：该模块接受 15 至 18 V 交流输入，并输出整流后的直流电压。
DC-DC 升压转换器：该模块根据脉冲宽度调制 (PWM) 输出的占空比来提升输入电压。
DC-AC 逆变器：该模块将直流输入电压转换为三相交流电压，并将其连接到电机端子。
PFC 采用升压转换器
交流-直流整流级采用传统的非控 H 桥整流器。套件中的 DC-DC 升压转换器采用两相交错拓扑结构。为简单起见，增压操作仅使用了一个相位。PWM 输出的占空比决定了输入电压的升压幅度。
PFC 控制器可对交流输入进行电流整形，并调节直流母线。外部电压环路通过使用离散比例积分 (PI) 控制器，确保输出直流电压保持在设定的参考值 (24 V)。
内部电流回路对输入交流电流进行波形整形，以保持高功率因数。电流回路的参考电压由整流后的直流电压的前馈以及电压控制回路的输出产生。
PFC 控制器的输出是 DC-DC 升压转换器的 PWM 占空比，开关频率为 200 kHz。控制器以 100 kHz 的速率运行，即 PWM 开关频率的一半。
电机负载
包含电机负载的模型的 PFC 阶段与上面描述的包含电阻负载的 PFC 阶段相同。
DC-DC 升压转换器的输出电压作为三相逆变器的输入，进而驱动三相永磁同步电机。在该模型中，三相逆变器以 10kHz 的频率切换，FOC 算法也以 10KHz 的频率执行。电机采用 FOC 控制，其中电机位置通过 QEP 编码器进行感应。
可以使用不同的低压设置来计算模型中使用的电机的 QEP 偏移量。有关详细信息，请参阅 QEP 标定。有关详细信息，请参阅永磁同步电机正交编码器偏移标定
当升压转换器的输出电压达到 24V 左右时，电机控制功能启用。
电机负载的 PFC 控制算法在 CLA 内部实现。
需要存储在 CLA 内存空间中的信号/状态/数据存储是通过 Embedded Coder 字典的代码映射 - 组件接口来完成的。下图显示了在 CLA 内存空间中配置的模型元素。
外围模块配置
用于 PFC 的 ePWM 模块
PWM 信号的生成频率为 200 kHz。ePWM4 模块配置为以加减计数模式运行。所有 ADC 结果均在标记为 PFC_ISR 的 (100kHz) ISR 中读取。在倒计时期间，ePWM4 会在每秒 CMPB（具有预设值）匹配事件时触发此 ISR，以便 ISR 仅在 ADC 转换完成后触发。
电机负载的 ePWM 模块
PWM 同步和 ADC 转换开始*
频率为 10kHz 的电机 PWM 在
Counter=0处产生同步脉冲，用于频率为 200kHz 的 PFC 的 PWM。
PFC 总电感电流在 PWM 导通脉冲的中点进行采样。因为采样值代表了 CCM（连续导通模式）条件下的平均电感电流。在每个 PWM 时间段内，PFC 电感电流也会被过采样 4 次。然后使用这 4 个采样值来计算平均 PFC 电感电流。当 PFC 开关打开时，电压信号转换也会启动。当以下情况发生时，会生成 4 个 SOC 触发器：
ePWM4 计数器达到零和周期。
ePWM5 计数器在向上和向下计数期间达到预设的 CMPA 值。
过压保护
在 System Outputs 模块中使用自定义代码实现了过压保护机制。将 ADC 输入端检测到的直流母线输出电压与初始化脚本文件中设置的过压保护阈值进行比较。Vpfc_trip_level Vpfc_trip_level 过压阈值，在本模型中设置为 35 V。当满足过压条件时，ePWM 中的单次触发功能将被启用。
使用升压转换器仿真 PFC
运行模型
1.打开 c28069pfchvkit.slx 模型，然后点击“运行”按钮来仿真该模型。
2.从以下路径 c28069pfchvkit > Plant Model > 仿真观察 Results 模块上的输出波形。
同样地，打开 c28069pfcmotorcontrolhvkit.slx 模型并执行上述步骤。
生成控制器代码并将其加载到控制卡上。
该部署模型配置了实时中断服务例程 (ISR)，以 100 kHz 的速率触发 PFC 控制。
具有阻性负载的负载模型
1.请确保按照“电阻负载硬件连接”部分所述进行硬件连接。
2.打开套件上的 [M6]SW1 以打开控制卡电源。
3.打开 c28069pfchvkit.slx 模型，然后按 Ctrl+B 生成代码。
4.按照构建过程，点击模型画布底部的链接打开诊断查看器。
5.将合适的电阻负载连接到 PFC 直流输出端子（BS5 和 BS6）。确保负载电阻在 20 至 50 欧姆范围内。
6.打开交流电源，逐渐将交流输入（[主电源]-P1）增加到 15V 至 18V 之间的值。
当交流输入电压超过 14V 时，PFC 算法启动。
7.运行主机模型，观察输出电容电压和 PFC 电感电流。
8.先关闭交流电源，等待几分钟，让 PFC 直流母线电容器完全放电。
带电机负载的负载模型
1.对 c28069pfcmotorcontrolhvkit.slx 电机负载模型重复步骤 1 至 4，然后按 Ctrl+B 生成代码。
2.在 PFC 直流输出端子（BS5 和 BS6）之间连接一个 50 欧姆的高阻值电阻，以防止升压转换器在空载时工作。
3.打开交流电源，逐渐将交流输入（[主电源]-P1）增加到 15V 至 18V 之间的值。当交流输入超过 14V 时，PFC 算法启动。
4.当升压转换器输出电压达到 24V 时，经过 10 秒的延迟，电机控制才会启用。默认情况下，电机的启动速度约为每单位 0.3 转。
5.运行主机模型，观察输出电容电压和 PFC 电感电流。
6.先关闭交流电源，等待几分钟，让 PFC 直流母线电容器完全放电。
主机上的监控信号
主机模型接收来自硬件套件的数据，并将其绘制出来，以验证 PFC 控制器的性能。
在主机上配置并运行模型
1.在主机上，浏览到设备管理器 > 端口 (COM & LPT)，找到 COM 端口。
2.将 c2000_host_pfc 模型中以下模块的 Port 参数设置为与主机 COM 端口匹配：
c2000_host_pfc > 串行配置
c2000_host_pfc > 串行接收
3.点击 Simulation 选项卡上的 Run 按钮以运行主机模型。
4.在模型运行期间，您可以监控升压转换器输出电容器电压和输入电感电流，以分析 PFC 控制的性能。
同样，您可以使用 c2000pfcmotorcontrolhostmodel.slx 模型在主机上配置和运行模型。
硬件结果
阻性负载
下图显示了模型 c28069pfchvkit.slx 的硬件结果。观察升压转换器输出电容电压和输入电感电流。以下结果是在 30 欧姆电阻负载下测得的。
电机负载
下图显示了 c28069pfcmotorcontrolhvkit.slx 模型的硬件结果。观察升压转换器输出电容电压和电机电流。
以下结果是在电机空载运行时，电阻为 50 欧姆的情况下测得的。我们可以观察到，PFC 输出电压被控制在 24V，并叠加了两倍的工频分量。电机负载电流在±0.5A 之间变化。
在下图中，您可以观察到 PFC 电感电流，它是一个整流后的正弦波，以及电机电流。
