部分PFC_控制功能规格_A修改_20140328_(中文)

1、单相电源用 部分PFC 功能规格作成：2014年3月 5日小仓A改正：2014年3月28日小仓Z/C推定、IGBT脉冲幅值计测使用的timer以固定值设计软件情况的变更点的追加与修正本资料是为了作成部分PFC控制用SOFT对需要的情况的总结。基本来讲是通过IRMCF341的8051部控制部分PFC为前提来做的。IRMCF341的MCE部（通过Matlab设计）控制也是可以的、部分PFC程度简单的控制的话不需要MCE高速演算功能、而且还有今后容易移到CPU等优点考虑用8051设计更合适。针对认为需要的内容关于硬件功能及基本动作原理进行记述。前言1.系统概要1.1控制框图1.2中断1.3部分PFC

2、动作原理2.部分PFC运行控制2.1Vdc电压控制2.2脉冲波形2.3Z/C检出2.4PFCONOFF动作2.5为了让Z/C、IGBT的PW用timer以固定值使用的对策3.保护功能、异常处理3.1保护功能、异常处理一览3.2PFC_OCP3.3PFC_OVP3.4Z/C检出异常目录A改正【计算周期】IRMCF341的8051部是由高精度计算依存必要的Z/C点计算、Pulse幅计算与每电源半周期不变化的部分（Vdc控制部）、其他的输入信号处理部分构成。1.1控制框图IRMCF341平均化比较器IPM部分PFCCOMPOCPLatch6.5msecisolation主板isolation绝对值A

3、IN2INT2AIN0PWM6FoIdcP1.7P2.2PFCONOFFisolation移动平均1msec、40次PFC_OVPPFC_OVP_flgVdc_ave移动平均10msec、10次Vdc_refZC_flgVdc_refVdc_ave+-+1Z0Reset+01010HoldKpKiLimit flgLoadPulse_calLoadTime1st pulse2nd pulsePFC_OVP_flgINV_Err_flgINV_Err_flgINV_ErrSoft FilterPFC_ONOFFPFC_ONOFFPFC_ctrlSRQZC_flgPFC_ShutDownZC_fl

4、gZC_Err_flgZ/C点推定计算ZC_Err_flgAVRMCEPFC_ShutDown0:Normal , 1:ShutDown0:Normal , 1:Err0:Normal , 1:Err0:Normal , 1:Err0:Off , 1:One2PFC_ShutDown计算周期T=Realtime(占用Timer)计算周期T=1msec计算周期T=1msec计算周期T=10msec_typ(1/电源Hz2)IGBT_Gate(予備INT0)001A改正推荐Realtime控制如果、Timer以固定值控制的情况T=50usec左右是极限另外2.5项所示对策需要同时进行【现状】与软件

5、负责人协商决定现状有下列课题。1.2中断Timer0：SUART占用Timer2：1msec（全体使用）Timer1： ：PFC（ （Z/C、 、Pulse幅）占用幅）占用INT1：SUART占用（RXD）INT2： ：PFC（ （Z/C、 、Pulse幅）占用幅）占用INT0： ：PFC（ （Z/C、 、Pulse幅）幅）备用备用【中断功能使用方案】作用方案【课题与对策】关于部分PFC性质上、关于Z/C计算、pulse幅值计算有高精度（只是软件的误差的话约20usec左右）的要求。需要占用Timer。需要高优先度。大多数精度要求是低的1msec是应该在Timer2上中断？INT也应该需要使用

6、高优先度。INT0是（IRMCF343的话RiseEdge不能检出、INT2是两方都能、IRMCF341的话不清楚）【概要】2.1Vdc电压控制Vdc电压跟Vac电压成正比的值控制。【框图】Vdc_ref+-PIAIN0NPAMC1200LM358绝对值、衰减绝缘增益差分增益衰减、平均化Gain1=646.2uGain2=8Gain3=5.674Gain4=137.6mGain(ALL)=4.0365m（=Gain1 Gain2 Gain3 Gain4)AIN2GainDC=1.6473m衰减A/DA/D硬件部的Gain是PCB试做作1的设定值。计算过程另外资料有记载。移动平均1msec40次

7、Vdc_ave GainDCGain(ALL) Scale变换 e2 Vdc_ref算出IRMCF341Scale：5.6227Counts/V移动平均10msec10次2M3.3kLim【Scale变换】由于在电压控制部处理的Vdc_ref值与Vdc_ave值是输入部分的硬件Gain不同、使Scale一致需要进行演算。Vdc_ave的Scale结合Vdc_ref情况的计算参照上述框架图内。【滤波处理】AIN0与AIN2的输入信号虽然双方都是根据移动平均进行处理、进行目的是不同的。对AIN0的Vdc电压的移动平均处理主要是除去电解电容的纹波电压为目的。纹波电压的除去不充分进行控制的话、脉冲幅值

8、控制上产生纹波电压成分的影响。对AIN2的Vac_ave值移动平均是、主要是对直接侵入AIN2端子的干扰的除去。由于此信号本来在硬件部平均化（约600msec时间常数）、基本不含电源电压纹波。2.1Vdc电压控制Vdc_ref=Vac(RMS)2e/ = Vac(peak)e/ = Vac(peak)0.86526 = Vac(AVE) e/2式(1)通过仿真（上野先生做的）、通过上述公式控制、可以知道谐波变得比较低。但是、不清楚为什么在上述公式的关系时会变好。是自然数e真正有关系、还是电压Peak的87%左右是比另外的理由更合适。本次是、由于通过硬件检出Vac的平均值、使用公式(1)求取Vd

9、c_ref。e自然数=2.71828正弦波的波形率=RMS/AVE=/(22)（Ex.Vac=220V时Vdc=269.2V）参数名参数名值值（ （初期值初期值） ）数据类型数据类型备注备注Vdc_ref_LimP380V未定Vdc_ref_LimN210V未定【参数与初期值】380V210VVac(Vrms) Vdcref (Vdc)311380.0264323.0240293.7230281.4220269.2187228.8172210.0【Vdc_ref与Vac的关系】因为Vdc_ref输出部上设有Limit值、Vac与Vdc_ref的关系如下。Vdc_refVdcVac电源电压变动的

10、情况、如下述动作。（实际上Vdc_ref的反应是因为硬件滤波附加有600msec左右更迟）2.1Vdc电压控制参数名参数名值值（ （初期值初期值） ）数据类型数据类型备注备注Kp上述方法未定Ki上述方法未定【参数与初期值】【Kp、Ki设定值】Kp、Ki是根据正极状态试验决定、初期值是通过下述方法计算的值。现状的话是由于LOAD值的数据类型等还未决定、值本身没有明确记述。使用电压值（Vdc_ref、Vdc）与脉冲幅值时间来表示。Kp算出算出Ki=0Vdc_refVdc=50V设定的状态的LOAD值称为LOAD_Kp的话、与此时的直线2ndPulse的OFF的交点是变为160usec的Kp值Loa

11、dTime2nd pulse的的offLOAD_Kp0160usecKp值2nd pulse的on1st pulse的offKi算出算出Kp=0Vdc_refVdc=50V设定的状态中直线2ndPulse的OFF时间是每次计算周期每120usec/10msec的速度增加的Ki値LoadTime2nd pulse的的offLOAD_Ki0120usecKi值2nd pulse的on1st pulse的off120usec120usec10msec20msec30msec40msec2.1Vdc电压控制【负载变动时的各部波形例】参考负载从4kW8kW0kW与变动step情况的仿真结果。 Time0

12、.45s0.50s0.55s0.60s0.65s0.70s0.75s0.80s0.85s0.90s0.95s1.00s1.05s1.10s1.15s1.20s-100A0V100A0100200256010.0KW-400V0V400VLOAD(8bit)DC負荷VacVdcIac4kW8kW0kW通过前述的Kp、Ki设定、Vdc的控制应答为约100msec左右。仿真条件Vac：220V50HzL：4.7mHC：6600uFA改正备注本仿真是IGBT的PW的最小分辨率在19.53usec/count 进行的波形。【概要】Vdc_ave是Vdc_ref上升时（轻负载时）是LOAD值变小的缘故、不

13、能自动输出Pulse。增加负载、Vdc_ave降低、相比Vdc_ref变低、LOAD值增加Pulse输出。其结果Vdc在Vdc_ref上稳定。 现状的话、2Pulse方式是最有力的候补。2Pulse方式的情况脉冲波形如下。还有软件计算的情况、因为Pulse幅值太小的话计算困难、进行最小Pulse幅值限制。采用1Pulse方式的情况需要能简单变更软件进行设计。1Pulse方式的话、关于下列Pulsecal详细图、2ndpulse与blank1没有也可以。2.2脉冲波形PIVdc_refVdc_ave+-LOADIGBT_gateZC_flg【框图】【Pulsecal详细图】【参数与初始值】Tim

14、e(usec)LOAD0（ZeroCross）PFCminpulse1st Pulse2nd PulseBlank1Blank2maxrangeFullrange8bitor16bit平行平行2ND_PWBlank_PWPulseOFF领域PulseON领域Timer按照T固定值控制的情况是下述参数是全部按照T的倍数设定(四舍五入)A改正参数名参数名值值（ （初期值初期值） ）数据类型数据类型备注备注PFCminpulse50(usec)未定可以稍微大一些作为开发目标为50usecmaxrange5000(usec)未定能够输出到90。（控制余量）2ND_PW268(usec)未定2ND_PW

15、 PFCminpulse来设定Blank1_PW498(usec)未定Blank1_PW PFCminpulse来设定【概要】 部分SWPFC中、电源电压的Zerocross点检出是很重要的控制信息。还有、由于检出对象是电源波形、即使市场有各种各样恶劣的电源波形形状必须能够稳定的Z/C检出。硬件部分具有约113usec左右的滤波、一定程度高品质的信号能够输入到CPU、软件部的信号处理也是不可欠缺的。记录硬件部的信号形状与软件处理的要求事项。2.3Z/C检出【电路图】电源电压全波整流（绝对值化）、为了绝缘使用ACM1200。之后、通过比较器与一定值比较、IRMCF341的INT2上输入信号。电源

16、：170V300V电源频率：5060Hzminmintyptypmaxmaxta(msec)6.007.528.70tbx(msec)0.501.051.60tby(msec)0.801.432.46ZeroCross信号规格（Hard保证值）正常动作范围ZeroCross_B(INT2)tatbx电源波形真的Z/CtbyVacZeroCross_B(INT2)【INT2输入信号规定】由于考虑硬件常数、电源的离散产生下述范围的信号离散、软件作成时需要考虑。【Z/C推定的基本原理】由int2的信号推定Z/C原理如下述方法。2.3Z/C检出ZeroCross_B(INT2)电源波形tatbx真正的

17、Z/Ctby从falledge到真正的Z/C时间tbx10如下。t_vac_ave=t_vac1+ t_vac2 + t_vac3 + t_vac10/10【10次的移动平均化处理】通过实际的使用为了稳定的Z/C信号进行平均化处理。具体如下所示。t_vact_测定vac与ta的时间。t_vac：电源半周期ta：Hpulse幅信号的延迟t_delay是依存硬件的参数。试做1的初期值的话380usec（通过试验需要调节）t_delay=tby tbx = 380usec由fall edge真正的Z/C的时间tbx根据下列公式能够计算tbx = 2t_vac ta t_delay= 2t_vac t

18、a 380usecta1tbx1tby1ta2tbx2tby2ta3tbx3ta10 tbx10t_vac1t_vac2t_vac3t_vac10算出电源半周期与Hpulse的移动平均ta_ave=ta1+ ta2 + ta3 + ta10/10tbx10 = t_vac_ave - ta_ave t_delay / 2以后tbx11、tbx12也是相同使用falledge到移动平均值（211)、(312)来计算。【Mask处理】为了应对干扰的侵入与市场电源恶劣品质、进行2个的Mask处理。2.3Z/C检出极小脉冲输入的误判定防止极小脉冲输入的误判定防止400usec以下以下的脉冲输入的脉冲输

19、入Mask主要是由于干扰侵入防止误动作为目的。由于极小的脉冲波形INT2中断发生后、由于到中断许可处理（EINT2=1;）之间波形会发生变化、防止edge检出失败。INT2发生后、INT2状态采样进行H/L的判定。(INT2)1030u1030u检出检出认识H进行处理认识L进行处理3次采样（1030Usec左右的间隔）大多数能判定H/L。1030u认识L进行处理主要是以由于电源波形的失真防止异常中断为目的。电源失真事例如下所示。即使电源失真波形中、容易对Z/C附近产生的浪涌状波形检出产生影响。即使进行本Mask处理、也不能完全消除电源异常的影响。只是程度的问题。通过无视400usec以下的脉冲

20、输入、能够防止复数的能够防止复数的连续的中断连续的中断。 。检出Edge检出失败异常电源波形事例异常电源波形事例(INT2)正常时波形前部发生Noise400usec以下Mask处理后的认识后部产生NoiseMask处理后的认识400usec以下NoiseNoise虽然能够消除前部产生的Noise的影响、后部输入的干扰影响无法去除。但是、由于能够回避连续输入还是有用的。误认识误认识正常认识正常认识(INT2)(INT2)Mask处理后的效果处理后的效果2.3Z/C检出参数名参数名值（初期值）值（初期值）数据类型数据类型备注备注t_delay380(usec)未定t_delay是受到硬件的滤波特

21、性的影响、对软件上的计算延迟等通过调节此参数、能够提高Z/C检出精度。因此通过试验需要进行调节。【参数与初期值】【概要】本PFC是压缩机负载是轻负载、Vdc电压是Vdc_ref电压以上时、不输出PFC的波形。PFC的ONOFF动作与负载变动的关系如下所示。2.4 PFCONOFF动作VacPFCONOFFP1.7OFFONDC_负载压缩机(W)PFCIGBT_GateLOADPFC波形是输出开始压缩机负载约为1.7kW左右（条件Vac=220V、50Hz、L=4.7mH）VdcVdc_ref【概要】2.5Z/C、IGBT的PW用timer以固定值使用的对策A改正问题点问题点IGBT的最小PW分

22、辨率是50(usec/count）左右的话、据此不能进行Vdc的微小控制。直接的问题是不能进行Vdc的微小控制、伴随这个产生的间接问题是产生IGBT电流周期的不均一。由于电流的不均一直接影响到谐波性能问题很大。需要对策。TNTPIVdc_refVdc_ave+-LOADinputoutputDeadZoneVdc_DZIGBTPW分辨率追加了不敏感带Vdc控制框图Vdc_DZ的设定值的设定值DeadZone电压定义为Vdc_DZ。Vdc_DZ是根据IGBT的PW最小分辨率改变适当的值、Vdc_DZ的设定值以下列的值为目标。设定目标的公式Vdc_DZ V=T1e(5)T是Timer的最小分辨率E

23、x.T=50usec时Vdc_DZ=50e(-6)1e(5) = 5VTVdc_DZ参数名称参数名称值值（ （初始值初始值） ）数据类型数据类型备注备注Vdc_DZ通过上述计算方法决定未定【参数与初始值】对策对策 Vdc控制追加不敏感地带控制追加不敏感地带（ （DeadZone)对策的效果对策的效果通过Vdc控制上设置“不敏感地带DeadZone”、由于Vdc控制振动、能够防止电流振动。不敏感电压幅值是、为了Vdc电压的控制误差必须在对压缩机控制没有影响的范围内设定。基本来说IGBT的PW与Z/C推定是推荐Timer用Realtime使用、从现有的IRAMCF341的软件简单改变就能设计的情况

24、考虑、timer想用固定值来使用。这种情况是IGBT的PW与Z/C推定是会变成timer固定值的整数倍的值、对部分PFC波形控制有影响。现在Timer值是T=50usec左右的话、通过追加以下所示对策、应该是有现实性的控制。但是、T是50usec以上的控制的话、由于风险会变高用别的CPU处理比较容易。真正的真正的Z/C通过变动Z/C推定位置、IGBT的PEAK电流值会变化。因此谐波电流增加。还有、每周期的电流波形不稳定。Z/C推定位置的精度要求是 每每周期稳定有误差的情况也没有问题周期稳定有误差的情况也没有问题对策的效果对策的效果Z/C(int2)的falledge输入时、通过timer进行R

25、eset、电源周期与timer同步。据此、真正的Z/C与CPU认识的Z/C的位置关系是“稳定”。通过此处理不仅仅能提升精度、如下图所示、Z/C检出误差是在T以内产生、此Z/C检出误差是每周期基本以相同值能够稳定。ZeroCross_B(INT2)IGBTPW(P2.2)Timer1(T周期固定)TimerResetTimerResetTimerReset2.5为了让Z/C、IGBT的PW用timer以固定值使用的对策问题问题点点TZ/C检出误差Z/C检出误差CPU认识的认识的Z/CA改正对策对策INT2FallEdge检出时检出时Timer进行进行Reset【保护与异常处理的考虑方法】不仅仅是

26、本方案PFC的功能是、功率因数改善与谐波抑制（也有Vdc稳定的一方面）、空调的本质要求是、能够制冷、制热运行这个必要事项是压缩机能够运行。即使PFC停止也能进行制冷、制热运行。（性能可能多少有点下降。）因此对发生异常时的保护与处理也与压缩机控制（INV部分）要求不同。能够只停止PFC部解决的情况尽量不让压缩机停止。PFC部的异常尽可能不通知客户。（关于安全的问题另说）PFC部的保护即使动作由于压缩机能够运行、相比误动作来说更应重视防止破坏进行设定。3.1保护功能、异常处理一览【保护功能一览表与动作方案】保护名称保护名称设定值设定值动作动作备注备注PFCINV异常联系异常联系341主主板板PFC

27、_OCPIGBT电流(Apeak)53.37-58.27-63.15OFF6.5msec后自动恢复继续运行无只是Hard无FeedBackPFC_OVP450V、400VOFF继续运行无Z/C检出异常电源频率65Hz以上、45Hz以下其他ON幅值异常OFF继续运行无INV侧异常P6等（原来就有的）与原来相同OFFOFF与原来相同与压缩机停止同时停止PFC。根据上述思路作成的、保护功能与保护时的动作方案。【概要】PFC部的OCP是只是硬件的动作。即使OCP动作只是断开IGBT、不存在向CPU的联系（Fo）。而且不需要软件上的处理。OCP动作的情况、约6.5msec时间IGBT断开、电流是OCP设定值以下的情况自动恢复到正常动作。3.2PFC_OCP计算周期T=1msec【概要】由于PFC上有Vdc升压作用、OVP功能是必须的。考虑压缩机尽量不停止、OVP的设定值是设定在INV侧OVP以下。还有、PFC_OVP时的动作是电压降低后自动恢复。3.3PFC_OVP参数名参数名值值（ （初期值初期值） ）数