學姊的 PFC 避坑指南

在你一頭栽進這堆比我髮量還多的程式碼之前，先給我停下來！菜鳥最常犯的錯就是急著看 Code，結果就像沒帶地圖就跑進熱帶雨林，最後只會迷路，然後被蚊子叮到懷疑人生。

我們要先搞懂兩件事：

1. PFC 到底想幹嘛？
2. 為了達到這個目的，我們的大策略是什麼？

一、PFC 的終極目標：當個循規蹈矩的乖寶寶

你聽好，電力公司最討厭什麼樣的用戶？就是那種亂七八糟、需索無度的「渣男」負載。一般的整流橋，一加上去，它從電網抽電流的樣子就像餓死鬼投胎，只在電壓最高峰的時候猛吸一口，其他時間都在擺爛。這會產生一大堆高次諧波，污染電網，功率因數低到可憐，電力公司看到這種電流波形都想順著電線爬過來打你。

PFC (Power Factor Correction)，功率因數校正，它的目標很單純，就是要當個乖寶寶。它要讓我們的設備在從 AC 電網抽電的時候，抽的電流波形，跟電網的電壓波形長得一模一樣，而且相位也完全對齊。

所以，記住 PFC 的核心任務：控制輸入電流，讓它完美追蹤輸入電壓的波形和相位。

二、我們的作戰大策略：串級控制 (Cascade Control)

好了，目標很明確，但怎麼做到呢？我們不能只控制電流，因為我們最終的目的是要給後面的 DC Bus 一個穩定的直流電壓啊！比如，這個案子裡是 800V。

如果負載變大了，DC Bus 電壓就會掉下去，這時候我們就得從電網多抽一點能量進來補。如果負載變小了，DC Bus 電壓會往上衝，我們就得少抽一點。

所以，這是一個雙重任務：

1. 主要任務 (慢)：維持 DC Bus 電壓穩定在 800V。
2. 次要任務 (快)：確保抽進來的電流波形是完美的正弦波。

這時候，工程師們最愛的串級控制 (Cascade Control) 就粉墨登場了。這就像你在騎重機跑山路一樣，腦子裡想的是「維持時速 60 公里過這個彎」，但你的手腳操作的是「控制油門開度和剎車力道」。

我們的 PFC 控制就是這樣一個結構：

• 外環 (電壓環 - The Brain)：這是你的大腦。它負責看著 DC Bus 的電壓。
  • 輸入：目標電壓 (800V) 和實際感測到的電壓。
  • 工作：計算兩者之間的誤差。如果實際電壓低了，它就說：「不行，能量不夠了，得加油！」；如果高了，它就說：「喂喂，能量太多了，收斂點！」
  • 輸出：它不會直接去控制 PWM。它只會輸出一道命令，這道命令就是：「我們這次需要抽取的電流幅值是多少」。這個輸出值，就是內環的目標。
• 內環 (電流環 - The Muscle)：這是你的手腳。它是一個反應極快的執行者。
  • 輸入：外環給的「電流幅值命令」，以及實際感測到的 AC 電流。
  • 工作：它不關心 DC 電壓是多少，它只聽外環的話。它的任務就是：用盡一切手段（調整 PWM），讓實際抽進來的 AC 電流，精準地等於「外環命令的幅值」乘上「一個完美的正弦波範本」。
  • 輸出：直接給 PWM 模組的占空比 (Duty Cycle) 命令。

這個「完美的正弦波範本」哪裡來？
這就是另一個關鍵技術——鎖相迴路 (PLL) 的工作了。它負責盯著電網電壓，給我們一個與電網電壓完全同步的、純淨的 sin(ωt) 和 cos(ωt) 訊號。

腦子裡有這個畫面了沒？還沒？沒關係，多想幾遍。想通了這個，你看程式碼就會像開了天眼一樣。好了，繼續下一步。

在你興奮地準備捲起袖子看 Code 之前，我先給你一張藏寶圖。這個專案資料夾裡有一百多個檔案，你要是每個都點開看，明年這個時候你還在這裡。

聽好，跟 PFC 控制相關的核心檔案，就這幾個，其他的你先當它們是空氣：

1. tinv_user_settings.h
   學姊的註解：這是你的總開關、你的上帝面板！ 你想跑哪個實驗 (Lab)、用什麼模式 (PFC/Inverter)、開不開保護，全都在這裡設定。改 Code 第一步，就是先來這裡看看 TINV_LAB 是多少。我們要看 PFC，那就要把 TINV_LAB 設定成 5、6 或 7。
2. tinv_p65x.h / tinv_p65x.c
   學姊的註解：這是控制演算法的大腦和心臟。 所有的控制變數、PI 控制器、SPLL 物件都在這裡宣告。而那些核心的 ISR 執行函式（TINV_runISR1_labX()）也都在 .h 檔裡用 inline 函式的方式實現了。沒錯，寫在 .h 檔裡，是不是很機車？這是為了讓 C28x 和 CLA 都能呼叫，你先記著就好。
3. tinv_main.c
   學姊的註解：這是整個程式的入口和調度中心。 main() 函式在這裡，負責所有的初始化。最重要的，中斷服務常式 (ISR) 的殼在這裡。它就像一個接線生，根據 TINV_LAB 的設定，決定中斷來的時候，到底要去呼叫 tinv_p65x.h 裡的哪一個 _labX 函式。
4. tinv_hal.h / tinv_hal.c
   學姊的註解：這是硬體的驅動層，是控制演算法的手和腳。 你想讀 ADC、想更新 PWM、想開關 GPIO，所有跟硬體晶片直接溝通的髒活累活，都封裝在這裡。上層的演算法只管下命令，HAL 層負責執行。這叫軟體分層，懂嗎？學著點。
5. libraries/
   學姊的註解：這是 TI 送你的大禮包，是前人智慧的結晶。 裡面有 DCL (數位控制函式庫，PI 控制器就在這)、spll (鎖相迴路)、transforms (座標轉換) 等等。你不需要知道它裡面每一行怎麼寫的，但你必須知道怎麼用它，就像你不用知道 CPU 怎麼做的，但你會用電腦一樣。

好了，地圖給你了。現在，我們要開始真正的冒險了。我們要跟著訊號的流動，從感知到控制，把整個 PFC 的閉迴路走一遍。我們要看的 Lab 是 Lab 7，因為它是最完整的閉迴路 PFC 控制。

準備好了嗎？深呼吸。我們要開始一趟從電網到 PWM 的奇幻旅程了。我會分成幾個站點，一站一站帶你走。

第一站：感知 (Sensing) - 「世界那麼大，我想去看看」

控制的第一步永遠是感知。你連現在 DC 電壓多少、AC 電流多大都不知道，還談什麼控制？那叫瞎搞。

• 我們要看什麼？
  1. 三相 AC 電網電壓 (Vgrid_A, B, C) -> 用來給 PLL 鎖相，產生正弦波範本。
  2. 三相 AC 輸入電流 (Iinv_A, B, C) -> 這是電流內環要控制的對象。
  3. DC Bus 電壓 (Vbus) -> 這是電壓外環要穩定控制的目標。
• 在哪裡看？

  所有這些感知的工作，都在 tinv_p65x.h 裡的 TINV_readCurrentAndVoltageSignals() 這個 inline 函式裡。它會在每個高速中斷裡被第一時間呼叫。

• 程式碼解剖：

  // in tinv_p65x.h
  static inline void TINV_readCurrentAndVoltageSignals()
  {
      // 讀取三相逆變器側(其實就是輸入)電流
      TINV_iInv_A_sensed_pu = ((float32_t)TINV_IINV_A_READ * TINV_ADC_PU_SCALE_FACTOR - TINV_iInv_A_sensedOffset_pu) * 2.0f;
      // ... B, C 相類似
  
      // 讀取三相電網電壓
      TINV_vGrid_A_sensed_pu = ((float32_t)(TINV_VGRID_A_READ - 33) * TINV_ADC_PU_SCALE_FACTOR - TINV_vGrid_A_sensedOffset_pu ) * -2.0f;
      // ... B, C 相類似
  
      // 讀取 DC Bus 電壓
      TINV_vBus_sensed_pu = ((float32_t)TINV_VBUS_READ * TINV_ADC_PU_SCALE_FACTOR);
  }
  

• 學姊的避坑指南與碎碎念：
  1. _READ 宏：你看到的 TINV_IINV_A_READ 這種東西，它不是一個變數，是一個宏定義，定義在 tinv_user_settings.h 裡，最終會展開成 ADC_readResult() 函式。這是為了讓程式碼看起來更乾淨（雖然有時候會讓新手更困惑，哼）。
  2. Per-Unit (PU) - 夭壽重要的PU系統：你看到所有變數後面都有個 _pu 嗎？這代表 Per-Unit，也就是標么值。簡單說，就是把所有的物理量都正規化到 [-1, 1] 或 [0, 1] 的範圍內。
     為什麼要用 PU？ 因為可以避免在浮點數運算中處理極大或極小的數值，增加數值穩定性，而且讓 PI 控制器的參數調整變得更通用。你先接受這個設定，這是電力電子控制的慣例。
  3. _PU_SCALE_FACTOR：ADC 讀出來的是一個 0-4095 的整數，這個因子就是把它轉換成 0-1.0 的 PU 值。
  4. Offset 和奇怪的乘數/減數：你看到 TINV_iInv_A_sensedOffset_pu 和 * 2.0f、- 33、* -2.0f 這些東西了嗎？千萬別亂動！ 這些是根據硬體電路的設計來的。比如感測電路可能是差動的，或者有偏置，或者訊號是反相的。這些「魔法數字」就是為了校準硬體電路，把感測到的值還原成真實的、以 0 為中心的交流訊號。這是理論跟實際硬體結合的地方，也是最多菜鳥出錯的地方。

第二站：同步 (Synchronization) - 「跟上我的節拍！」

好，我們拿到電壓和電流的資料了。現在電流環需要一個「正弦波範本」來追蹤。這個範本必須跟電網電壓的節拍一模一樣。這就是 PLL (鎖相迴路) 的工作。

• 在哪裡發生？
  1. TINV_runTransformOnSensedSignals()：把感測到的 abc 電壓轉換成 dq。
  2. TINV_runSPLL()：把 dq 電壓餵給 SPLL 演算法。
  3. TINV_runISR1_lab7() 內部：從 SPLL 取出角度，計算 sin 和 cos。
• 程式碼解剖：

  // in tinv_p65x.h, TINV_runISR1_lab7()
      
  // 1. 先用【上個週期】的 sin/cos，把【這個週期】感測到的電壓轉成 dq
  TINV_runTransformOnSensedSignals(); 
  
  // TINV_runTransformOnSensedSignals() 內部會呼叫：
  // ABC_DQ0_POS_run(&TINV_vGrid_dq0_pos, Va, Vb, Vc, TINV_sine, TINV_cosine);
  
  // 2. 把轉換後的 dq 電壓餵給 SPLL，讓它更新內部角度
  TINV_runSPLL(TINV_vGrid_dq0_pos.d, ..., TINV_vGrid_dq0_pos.q, ...);
  
  // TINV_runSPLL() 內部會呼叫：
  // SPLL_3PH_SRF_run(Vq, &TINV_spll_3ph_2); -> 核心演算法
  // TINV_angleSPLL_radians = TINV_spll_3ph_2.theta[1]; -> 取出新角度
  
  // 3. 用 SPLL 算出來的【新角度】，產生【下個週期】要用的 sin/cos
  TINV_sine = sinf(TINV_angleSPLL_radians);
  TINV_cosine = cosf(TINV_angleSPLL_radians);
  

• 學姊的避坑指南與碎碎念：
  • 看到這個流程了嗎？用舊角度 -> 算新資料 -> 餵給演算法 -> 產生新角度 -> 準備給下次用。這就是數位控制系統的典型時序。你必須搞懂這個延遲一拍的概念。
  • PLL 的 PI 參數 (lpf_coeff) 決定了它鎖定的快慢和穩定性。如果你的電網很乾淨，可以調得快一點；如果電網很髒、諧波多，就得調慢一點，不然 PLL 會一直抖。這個在 TINV_globalVariablesInit() 裡設定，沒事別亂動。
  • 怎麼判斷 PLL 鎖好了沒？ 去 Watch Window 看 TINV_gridFreq_sensed_Hz 是不是穩定在你電網的頻率（比如 50Hz 或 60Hz），再去看 TINV_vGrid_dq0_pos.q 是不是非常接近 0。如果都滿足，恭喜你，你的系統跟電網「看對眼」了。

第三站：電壓外環 (The Brain's Decision) - 「指令來了！」

PLL 已經幫我們跟上了電網的節拍。現在，大腦（電壓環）要開始做決策了。它的目標是維持 DC Bus 電壓穩定。

• 在哪裡發生？

  這段程式碼只在閉迴路 PFC 模式 (Lab 7) 下才會執行，就在 TINV_runISR1_lab7() 裡面。

• 程式碼解剖：

  // in tinv_p65x.h, TINV_runISR1_lab7()
  
  // 只有在收到閉合電壓環的指令後才執行
  if(TINV_closeGvLoop == 1)
  {
       // ... (省略電壓參考值的斜坡緩升邏輯)
  
      // 核心！執行電壓環的 PI 控制器
      // 它的目標是讓 TINV_vBus_sensed_pu == TINV_vBusRefSlewed_pu
      #if TINV_SFRA_TYPE == TINV_SFRA_VOLTAGE
      // ... SFRA 相關，先忽略
      #else
      TINV_gv_vBus_out = TINV_GV_RUN(&TINV_gv_vBus,
                                     TINV_vBusRefSlewed_pu,  // 目標電壓 (PU)
                                     TINV_vBus_sensed_pu);   // 實際電壓 (PU)
      #endif
  
      // 核心中的核心！把電壓環的輸出變成電流環的參考值
      // a.k.a. 把大腦的決策，變成手腳的執行目標
      TINV_idRef_pu = -1.0f * TINV_gv_vBus_out;
  }
  else
  {
      // 如果電壓環沒閉合，就給一個預設的電流參考值
      TINV_idRef_pu = -1.0f * TINV_IREF_DEFAULT;
      TINV_firstTimeGvLoop = 1; // 重置標誌位
  }
  

• 學姊的避坑指南與碎碎念：
  1. TINV_closeGvLoop：這是你在 Watch Window 裡手動設定的「開關」。在實際產品中，它會由一個更高層的狀態機來自動控制。這給你一個手動介入的機會，非常重要。
  2. TINV_vBusRefSlewed_pu：你看到 Slewed 這個詞了嗎？這代表「斜坡」。它不會讓目標電壓瞬間從 0 跳到 800V，而是會慢慢地、平滑地爬升上去。直接跳變會導致電流衝擊，板子可能會跟你說掰掰。這是保護機制的體現。
  3. TINV_GV_RUN：這就是 TI 的 DCL 函式庫裡的 PI 控制器。GV 代表 Grid Voltage loop。
  4. 最重要的 -1.0f：學弟，你看這個 -1.0f。為什麼是負的？因為在 dq 座標系的定義下，Id 為正代表能量從 DC 往 AC 流（逆變器）。我們現在是 PFC，要從 AC 往 DC 抽能量，所以電流方向要反過來，因此 Id 的參考值必須是負的。電壓 PI 控制器 TINV_gv_vBus_out 算出來的是一個正的「能量需求量」，所以要乘上 -1，變成負的電流指令。搞混了這個正負號，你的 PFC 就會變成一個「反向 PFC」，拼命把 DC 的能量往 AC 送，然後 DC 電壓瞬間崩潰。記住，這是個大坑！

第四站：電流內環 (The Muscle's Action) - 「收到命令，開始執行！」

大腦已經下達了「需要多大電流」的命令 (TINV_idRef_pu)。現在，手腳（電流環）要開始幹活了。它的目標很單純：讓實際的 AC 輸入電流，精準地追蹤這個命令。

• 在哪裡發生？

  tinv_p65x.h 裡的 TINV_runCurrentLoop() 函式。

• 程式碼解剖：

  // in tinv_p65x.h
  static inline void TINV_runCurrentLoop()
  {
      if(TINV_closeGiLoop == 1) // 電流環閉合開關
      {
          // 執行 d 軸電流的 PI 控制器
          TINV_gi_id_out = TINV_GI_RUN(&TINV_gi_id,
                                       TINV_idRef_pu,        // 目標 d 軸電流 (來自電壓環)
                                       TINV_iInv_dq0_pos.d); // 實際 d 軸電流
  
          // 執行 q 軸電流的 PI 控制器 (通常目標是 0，為了單位功率因數)
          TINV_gi_iq_out = TINV_GI_RUN(&TINV_gi_iq, 
                                       TINV_iqRef_pu,        // 目標 q 軸電流 (通常是 0)
                                       TINV_iInv_dq0_pos.q); // 實際 q 軸電流
  
          // 解耦合與前饋補償
          // 這一大坨數學是為了補償系統中的交叉耦合效應和電網電壓的影響
          // 讓 d 軸和 q 軸的控制更獨立、更精準
          TINV_vdInv_pu = (TINV_gi_id_out + ... - ...) / ...;
          TINV_vqInv_pu = (TINV_gi_iq_out + ... + ...) / ...;
          
          // ... (輸出限幅)
      }
  }
  

• 學姊的避坑指南與碎碎念：
  • TINV_closeGiLoop：同樣是你在 Watch Window 裡控制的開關。標準流程是：先閉合電流環 (TINV_closeGiLoop=1)，確認電流能追蹤一個小的固定參考值，然後再閉合電壓環 (TINV_closeGvLoop=1)。
  • TINV_GI_RUN：同樣是 PI 控制器，GI 代表 Grid Current loop。
  • d 軸和 q 軸：d 軸電流負責傳送有效功率，q 軸電流負責傳送無效功率。在 PFC 應用中，我們不希望從電網吸收無效功率，所以 q 軸電流的參考值 TINV_iqRef_pu 通常都設為 0。
  • 解耦合與前饋 (Decoupling & Feed-forward)：看到那兩行又臭又長的 TINV_vdInv_pu = ... 了嗎？新手看到這個通常直接投降。你先別管細節，只要知道它的目的：
    • 解耦合：在旋轉座標系裡，d 軸的變化會影響 q 軸，反之亦然。這幾項就是用來抵消這種「交叉感染」的。
    • 前饋：它直接把電網電壓 (TINV_vGrid_dq0_pos.d) 考慮進來。這樣 PI 控制器只需要去補償誤差和擾動就行了，大大減輕了 PI 的負擔，讓系統響應更快。
    • 這是進階技巧，但也是現代向量控制的標配。 你可以先把這些項當成一個「黑盒子」，知道它的作用是為了讓控制更漂亮就行。

第五站：執行 (Actuation) - 「PWM，給我動起來！」

電流環算出了它需要的電壓 (TINV_vdInv_pu, TINV_vqInv_pu)。但這還只是 dq 座標系裡的抽象數字，硬體看不懂。我們得把它變回三相的 PWM 占空比。

• 在哪裡發生？
  1. TINV_runISR1_lab7() 內部
  2. TINV_HAL_updatePWMDuty()
• 程式碼解剖：

  // in tinv_p65x.h, TINV_runISR1_lab7()
  
  // 1. 逆變換：把 dq 座標系的電壓指令，變回 abc 三相的電壓指令
  // 這一步也叫 Inverse Park Transform
  DQ0_ABC_run(&TINV_vInv_dq0,
              TINV_vdInv_pu, TINV_vqInv_pu, TINV_vzInv_pu,
              TINV_sine, TINV_cosine);
  
  // 2. 加上各種補償（比如為了平衡中點電壓的補償）
  TINV_duty_A_pu = TINV_vInv_dq0.a + TINV_duty_0_pu + ...;
  TINV_duty_B_pu = TINV_vInv_dq0.b + TINV_duty_0_pu + ...;
  TINV_duty_C_pu = TINV_vInv_dq0.c + TINV_duty_0_pu + ...;
  
  // ... (占空比限幅)
  
  // 3. 最終執行：把計算好的三相占空比，寫入 ePWM 模組的硬體暫存器
  if(TINV_closeGiLoop == 1)
  {
      TINV_HAL_updatePWMDuty(TINV_duty_A_pu, TINV_duty_B_pu, TINV_duty_C_pu);
  }
  

• 學姊的避坑指南與碎碎念：
  • DQ0_ABC_run：這是座標逆變換。它的作用就是把 dq 系統裡的直流命令，重新「調變」回三相交流的正弦波命令。
  • TINV_HAL_updatePWMDuty：這是旅程的終點。這個函式會把 [-1, 1] 的 PU 占空比，轉換成 ePWM 模組比較暫存器 CMPA 需要的具體數值，然後寫進去。下一秒，硬體就會產生對應的 PWM 波形，驅動功率開關。
  • 至此，一個完整的控制迴路就閉合了。從感測到執行，週而復始，在每個幾十微秒的中斷裡不斷循環。

理論講完了，你也差不多睡著了。現在講點實際的，你該怎麼一步一步把這個 PFC 跑起來，而且還不會把板子變成昂貴的煙火。

第一步：從 Lab 5 開始，不要騷操作！

這個專案的 Lab 設計是有道理的。PFC 相關的是 Lab 5, 6, 7。

• Lab 5 (開迴路測試)：這個模式下，沒有閉迴路。你可以手動設定一個固定的占空比，然後用示波器去量測 PWM 腳位，確認你的硬體驅動、接線都沒問題。這是硬體驗證，不過就別想下一步了！
• Lab 6 (閉合電流內環)：這個模式下，你可以手動給一個固定的、很小的負值 Id_ref，然後閉合電流環 (TINV_closeGiLoop = 1)。你的目標是：確認電流環可以穩定地追蹤這個小的參考值。用示波器去看輸入電流波形，它應該是一個漂亮的正弦波。如果這一步不穩定，通常是電流感測有問題，或是電流環 PI 參數不對。
• Lab 7 (閉合電壓外環)：當 Lab 6 穩定後，你才能嘗試 Lab 7。先閉合電流環，再閉合電壓環 (TINV_closeGvLoop = 1)。系統會開始自動調整 Id_ref 來穩定 DC Bus 電壓。

記住這個順序：硬體驗證 -> 內環驗證 -> 外環驗證。跳關的下場通常很慘烈。

第二步：Watch Window 是你的水晶球

除錯時，printf 太慢了，示波器只能看波形。你的主戰場是 CCS 的 Watch Window。把下面這些關鍵變數拖進去，它們會告訴你系統裡發生了什麼事：

• PLL 狀態：
  • TINV_gridFreq_sensed_Hz: 是不是 50/60Hz？
  • TINV_vGrid_dq0_pos.q: 是不是接近 0？
  • TINV_vGrid_A_sensed_pu: 監控輸入電壓，確保沒問題。
• 電壓環狀態：
  • TINV_vBus_sensed_Volts: 實際 DC 電壓是多少？
  • TINV_vBusRef_pu: 目標電壓是多少？
  • TINV_gv_vBus_out: 電壓環輸出了多大的能量命令？
  • TINV_idRef_pu: 電壓環最終給電流環的目標是多少？（應該是負值）
• 電流環狀態：
  • TINV_iInv_dq0_pos.d: 實際的 d 軸電流，是不是跟 TINV_idRef_pu 很接近？
  • TINV_iInv_dq0_pos.q: 實際的 q 軸電流，是不是在 0 附近？
  • TINV_duty_A_pu: 最終輸出的占空比是多少？有沒有飽和（達到 ±0.98）？
• 開關變數：
  • TINV_closeGiLoop: 確認電流環是否閉合。
  • TINV_closeGvLoop: 確認電壓環是否閉合。
  • TINV_boardFaultFlags: 看看有沒有觸發任何硬體保護。

第三步：安全永遠第一

你操作的是高壓電！學姊可不想在社會新聞上看到你。

• 先用隔離的低壓 AC 源 (e.g., 50V AC) 測試，不要直接上市電 (110V/220V)。
• 確認你的示波器探頭是差動探頭，或者你非常清楚如何安全地進行浮地量測。
• 保持實驗桌乾淨，手上不要戴金屬物品。