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编程问答

单相功率因数校正PFC电路的simulink仿真（从电路图搭建到C语言实现PID控制），直接拿来做课设啦！

發布時間：2024/1/1 编程问答 41 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了单相功率因数校正PFC电路的simulink仿真（从电路图搭建到C语言实现PID控制），直接拿来做课设啦！小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

??本文介紹功率因數校正(PFC)的simulink仿真實現，并用PID控制器將功率因數調整為近似1。最后將控制器離散化，用C語言的形式編寫代碼實現PID控制simulink中的模型實現同樣的效果。（僅作為學習參考作用，若有不足請指出討論。）

單相功率因數校正PFC電路的simulink仿真（從電路圖搭建到C語言實現PID控制）

一、功率因數校正（PFC）電路原理
- 1.PFC含義
- 2.PFC電路原理
- 3.閉環控制設計原理
- 4.電壓外環的任務
- 5.電流內環的任務
二、Simulink仿真電路搭建
- 1.給定元器件參數
- 2.Boost電路搭建
- 3.PID控制電路搭建（搭建simulink自帶PID控制器）
- 4.測量電路搭建
- 5.電路匯總
三、仿真電路分析
- 1.直流輸出電壓波形及平均值
- 2.直流輸出電壓的FFT分析
- 3.整流器輸出電壓與電感電流波形
- 4.電網電壓和電網電流的波形圖
- 5.電流畸變系數、功率因數計算
四、C語言編寫PID控制器
- 1.搭建simulink中C語言的編譯環境
- 2.電路連接圖
- 3.C語言編寫的PID控制代碼
- 4.控制器分析
五、仿真文件獲取
- 1.積分獲取
- 2.免費獲取
六、其余電力電子電路

一、功率因數校正（PFC）電路原理

1.PFC含義

??功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）電路，是指在傳統的不控整流中融入有源器件，使得交流側電流在一定程度上正弦化，從而減小裝置的非線性、改善功率因數的一種高頻整流電路。
??基本的單相PFC電路在單相橋式不可控整流器和負載電阻之間增加一個DC-DC功率變換電路，通常采用Boost電路（Boost電路原理及simulink仿真可以參考這個鏈接）。通過適當的控制Boost電路中開關管的通斷，將整流器的輸入電流校正成為與電網電壓同相位的正弦波，消除諧波和無功電流，將電網功率因數提高到近似為1。電路的原理圖如圖所示：

2.PFC電路原理

??假定開關頻率足夠高，保證電感 $L$ 的電流連續；輸出電容 $C$ 足夠大，輸出電壓 $u_o$ 可認為是恒定直流電壓。電網電壓 $u_i$ 為理想正弦，即 $u_i=U_m*sin(wt)$ ，則不可控整流橋的輸出電壓 $u_d$ 為正弦半波， $u_d=|u_i|=U_m*|sin(wt)|$ 。
??當開關管 $Q$ 導通時，對電感 $L$ 充電，電感電流 $i_L$ 增加，電容 $C$ 向負載放點；當 $Q$ 關斷，二極管 $D i o d e$ 導通時，電感兩端電壓 $u_L$ 反向， $u_d$ 和 $u_L$ 對電容充電，電感電流 $i_L$ 減小。電感電流滿足：

??通過控制 $Q$ 的通斷，即調節占空比 $D$ ，可以控制電感電流 $i_L$ 。若能控制 $i_L$ 近似為正弦半波電流，且與 $u_d$ 同相位，則整流橋交流側電流也近似為正弦電流，且與電網電壓 $u_i$ 同相位，即可達到功率因數校正的目的。為此，需要引入閉環控制。

3.閉環控制設計原理

??控制器必須滿足以下兩個要求：
??①實現輸出直流電壓 $u_o$ 的調節，使其達到給定值；
??②保證電網側電流正弦化，且功率因數為1.
??即在穩定輸出電壓 $u_o$ 的情況下，使電感電流 $i_L$ 與 $u_d$ 波形相同。采用電壓外環、電流內環的單相PFC雙閉環控制的原理圖如下所示：

4.電壓外環的任務

??電壓外環的任務是得到可以實現控制目標的電感電流指令值 $i^{*}_L$ 。給定輸出電壓 $u^{*}_o$ 減去測量到的實際輸出電壓 $u_o$ 的差值，經過PI調節器后輸出電感電流 $I^{*}_L$ 的指令。測量到的整流橋出口電壓 $u_d$ 除以其幅值 $U_m$ 后，可以得到 $u_d$ 表示波形的量 $u^’_d$ ， $u^’_d$ 為幅值為1的正弦半波，相位與 $u_d$ 相同。 $I^{*}_L$ 與 $u^’_d$ 相乘，便可以得到電感電流的指令值 $i^{*}_L$ 。 $i^{*}_L$ 為與 $u_d$ 同相位的正弦半波電流，其幅值可控制直流電壓 $u_o$ 的大小。

5.電流內環的任務

??電流內環的任務是通過控制開關管 $Q$ 的通斷，使實際的電感電流 $i_L$ 跟蹤其指令值 $i^{*}_L$ 。此處采用滯環電流控制法。根據電流的公式，當 $Q$ 導通時電感電流增大，而當 $Q$ 關斷時，電感電流減小。令 $i^{*}_L$ 減去 $i_L$ ，若差值△ $i_L$ 大于規定的上限△ $i_{L_{max}}$ ，則令 $Q$ 導通，以增大 $i_L$ ；若差值△ $i_L$ 小于規定的下限△ $i_{L_{min}}$ ，則令 $Q$ 關斷，以減小 $i_L$ 。通過滯環控制，可以保證實際的電感電流 $i_L$ 在其指令值 $i^{*}_L$ 附近波動，波動的大小與滯環寬度有關，即與設定的△ $i_{L_{max}}$ 和△ $i_{L_{min}}$ 相關。

二、Simulink仿真電路搭建

1.給定元器件參數

① 輸入電壓有效值為220V,頻率為50Hz；
② 輸出直流電壓指令u*o為400V；
③ 電感L=6mH；電容C=320uF；負載電阻R=160Ω；
④ 二極管整流橋：Rs=1e5Ω，Cs=1e-6F，Ron=1e-3Ω，Lon=0，Vf=0；
⑤ 開關管Q采用MOSFET，Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=1e5Ω，Cs=inf；
⑥ Boost電路中二極管參數：Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=500Ω，Cs=250e-9F。
⑦ Relay滯環電流控制模塊寬度設置為[-0.5,0.5],Switch on point為1，Switch off point為-1；
⑧ 仿真算法：ode23tb

2.Boost電路搭建

??Boost電路的搭建可以參考這篇文章。搭建好的電路圖如下：

3.PID控制電路搭建（搭建simulink自帶PID控制器）

4.測量電路搭建

??其中，功率因數計算函數如下：

5.電路匯總

三、仿真電路分析

??將powergui設置為離散模型，Ts=1e-6,PID控制器的P為0.02，I為10。

1.直流輸出電壓波形及平均值

??輸出電壓波形如下：

??輸出電壓平均值如下：

??可以發現，直流電壓波動周期為0.01s，頻率為工頻（50Hz）的兩倍。

2.直流輸出電壓的FFT分析

3.整流器輸出電壓與電感電流波形

4.電網電壓和電網電流的波形圖

5.電流畸變系數、功率因數計算

??可以看出，電壓和電流是同相位的，即功率因數基本為1（0.9997）。也可以觀察Fourier模塊的相角觀察到電流與電壓是同相位的，這滿足控制器實現電網側電流正弦化，且功率因數為1的要求，達到了PFC的目的。

四、C語言編寫PID控制器

1.搭建simulink中C語言的編譯環境

??拖出s-function-builder模塊。（需要去了解一下如何在simulink中搭建C語言的編譯環境，本文是裝好了進行應用。可以參考:鏈接1、鏈接2、鏈接3）

2.電路連接圖

3.C語言編寫的PID控制代碼

/** Include Files**/ #if defined(MATLAB_MEX_FILE) #include "tmwtypes.h" #include "simstruc_types.h" #else #include "rtwtypes.h" #endif/* %%%-SFUNWIZ_wrapper_includes_Changes_BEGIN --- EDIT HERE TO _END */ #include <math.h> /* %%%-SFUNWIZ_wrapper_includes_Changes_END --- EDIT HERE TO _BEGIN */ #define u_width 1 #define y_width 1struct _pid{float SetSpeed;//定義設定值float ActualSpeed;//定義實際值float err;//定義偏差值float err_last;//定義最上前的偏差值float err_next;//定義上一個偏差值 float Kp,Ki,Kd;//定義比例、積分、微分系數 };static struct _pid pid={ 0,0,0,0,0,0.02,0.01,1.15 };float PID_realize(float Err) {//pid.SetSpeed=speed;//設定值 pid.err=Err;//pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;//誤差項 float incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err;//pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last) ;//這里不用微分環節pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;pid.err_last=pid.err_next;pid.err_next=pid.err;return pid.ActualSpeed; }//u0是輸入的誤差項，y0是控制器的輸出 void mytest_Outputs_wrapper(const real_T *u0,real_T *y0) {y0[0] =PID_realize(u0[0]); }