基于數(shù)字控制的雙向直流變換裝置的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)大功率Bi Buck-Boost直流變換裝置進(jìn)行了研究，采用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了基于電流模式閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)器。搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，并以TMS320F28335為核心控制單元設(shè)計(jì)了控制電路。為便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器，推導(dǎo)了兩個(gè)具有高階形式調(diào)節(jié)器的增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。通過(guò)仿真程序和試驗(yàn)樣機(jī)分別對(duì)雙向直流變換裝置的輸出特性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真和試驗(yàn)結(jié)果一致且符合設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法和參數(shù)是合理有效的。
關(guān)鍵詞：變換器；工程設(shè)計(jì)法；數(shù)字控制

1 引言
    雙向直流變換器主要應(yīng)用在小功率場(chǎng)合，由于其電流雙向的特點(diǎn)，所以在如船舶電力推進(jìn)等存在再生制動(dòng)的大功率推進(jìn)場(chǎng)合也有廣泛的應(yīng)用前景。通常，電力變換裝置控制系統(tǒng)是基于小信號(hào)模型的動(dòng)態(tài)校正來(lái)完成調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜。此處將調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)法引入到雙向直流變換裝置調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中，可簡(jiǎn)化閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。同時(shí)，電力變換裝置的調(diào)節(jié)器往往是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非PID形式。為便于數(shù)字調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)，針對(duì)所設(shè)計(jì)的兩種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器的增量式算法進(jìn)行了推導(dǎo)。構(gòu)建以TMS320F28335為核心控制單元的直流變換裝置，并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真與樣機(jī)試驗(yàn)。

2 電路拓?fù)浼罢{(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)
2．1 Bi Buck-Boost變換器電路拓?fù)?br />     通過(guò)在單向Buck直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管可構(gòu)成BiBuck-Boost直流變換裝置，其構(gòu)成如圖1所示。VS2工作，VS1截止工作在降壓模式；VS1工作，VS2截止工作在升壓模式。兩個(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可采用帶有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM信號(hào)。

2．2 主拓?fù)鋮?shù)的選擇
    針對(duì)功率為80 kW，電壓為1 000 V／800 V的Bi Buck-Boost變換器進(jìn)行研究。考慮到實(shí)際應(yīng)用中可選IGBT的開關(guān)頻率情況，選定開關(guān)頻率為1 kHz。根據(jù)文獻(xiàn)，電路工作在CCM狀態(tài)，儲(chǔ)能電感計(jì)算式為：
   
    式中：Iom為最小平均電流；Ui為輸入側(cè)直流電壓；Uo為輸出側(cè)直流電壓；f為IGBT開關(guān)頻率。
    所需濾波電容的設(shè)計(jì)值為：
   
    式中：△Uo為紋波峰峰值。
    結(jié)合本系統(tǒng)，確定儲(chǔ)能電感為5 mH，濾波電容為250μF。
2．3 閉環(huán)形式及調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)
    閉環(huán)控制采用具有快速暫態(tài)響應(yīng)的電流控制模式。電流模式控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行了調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

    圖中，N為擾動(dòng)。PWM脈沖觸發(fā)和變換裝置是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)中可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：
   
    負(fù)載為R的電容端輸出電壓與電感電流間的傳遞函數(shù)為：
   
    文獻(xiàn)基于最佳整定設(shè)計(jì)思想歸納出調(diào)節(jié)器的一種工程設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)稱工程設(shè)計(jì)法。此處將該設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到電力變換裝置閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中。電流環(huán)被控對(duì)象為：
   
    考慮到電流環(huán)的主要作用是為了提高調(diào)節(jié)過(guò)程的跟隨性能和電流限幅的作用，設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，采用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)成二階最佳系統(tǒng)，獲得調(diào)節(jié)器為：
   
    電流環(huán)截止頻率ωci=300 Hz。驗(yàn)證電力變換裝置近似處理?xiàng)l件，滿足要求。
    電流環(huán)為一個(gè)二階系統(tǒng)，通過(guò)忽略高次項(xiàng)的近似處理將電流環(huán)簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)。則電壓環(huán)被控對(duì)象為：
   
    考慮到電壓環(huán)對(duì)穩(wěn)態(tài)性能和抗擾性能的要求，將電壓環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，采用工程設(shè)計(jì)法取中頻寬h=5，確定電壓環(huán)調(diào)節(jié)器為：
   
    電壓環(huán)截止頻率ωun=180 Hz。驗(yàn)證忽略高次項(xiàng)的近似處理?xiàng)l件，滿足要求。

3 數(shù)字調(diào)節(jié)器的增量式算法
    由于所研究系統(tǒng)為基于DSP芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)，所以需推導(dǎo)出適合離散化的數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。系統(tǒng)采用增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。
    根據(jù)式(6)，電流調(diào)節(jié)器的一般形式為：

    式(15)即為電壓調(diào)節(jié)器增量式控制算法的增量部分。對(duì)比工程設(shè)計(jì)的結(jié)果，將參數(shù)代入即可獲得便于DSP實(shí)現(xiàn)的增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器。

4 Bi Buck-Boost直流變換仿真與試驗(yàn)
4．1 仿真結(jié)果分析
    在Matlab／Simulink仿真軟件環(huán)境下構(gòu)建仿真程序。仿真參數(shù)為：功率80 kW，輸入直流側(cè)通過(guò)三相交流整流獲得，輸出直流側(cè)電壓要求為(800±16)V，負(fù)載為電阻性負(fù)載?？刂颇Ｊ讲捎秒娏髂Ｊ?，VS1與VS2采用互補(bǔ)PWM觸發(fā)，頻率為1 kHz，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為2μs。負(fù)載電阻8 Ω時(shí)啟動(dòng)電源模塊，穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻于0．5 s時(shí)突降50％額定負(fù)載，于1 s時(shí)再突加50％的額定負(fù)載，其仿真波形如圖3所示。

    由圖3所示仿真曲線可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的耐壓特性，超調(diào)小于3％，上升時(shí)間0．1 s；對(duì)出現(xiàn)的突加減負(fù)載擾動(dòng)具有良好的抑制作用，暫態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間小于0．2 s。同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能也較好，電壓紋波系數(shù)小于2％；儲(chǔ)能電感和濾波電容的電流波動(dòng)小。
4．2 試驗(yàn)結(jié)果分析
    突加、減50％額定負(fù)載的試驗(yàn)曲線如圖4所示，其中iL為負(fù)載電流。

    試驗(yàn)采用具有反并聯(lián)二極管的IGBT半橋器件構(gòu)成的功率為80 kW試驗(yàn)樣機(jī)?？刂菩酒捎肨MS320F28335，該處理器處理能力和處理速度有
明顯提高，有利于復(fù)雜形式調(diào)節(jié)器的應(yīng)用；驅(qū)動(dòng)采用2SD315AI-33驅(qū)動(dòng)板，試驗(yàn)電路輸入、輸出電容采用500μF／1 500 V的電解電容。測(cè)試儀器為DL750示波記錄儀?？梢?jiàn)，試驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真方法的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的非PID增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法的正確性。

5 結(jié)論
    通過(guò)對(duì)Bi Buck-Boost直流變換裝置的設(shè)計(jì)及仿真、試驗(yàn)研究，獲得以下結(jié)論：首先，采用了工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)簡(jiǎn)單快捷，便于工程實(shí)踐；其次，通過(guò)對(duì)一般傳函結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器增量式算法的推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了非PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，為大功率雙向DC／DC變換裝置的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。