通常在电动汽车、电动工具、通讯以及电力系统的后备电源中,双向DC/DC电路是一个必不可少的能量变换单元。它首先通过DC/DC变换器将输人电压变换到一定范围,即直、流母线电压值,然后再通过后级电路输出。因此,双向DC/DC变换器性能的好坏直接影响到整个控制系统。在数字式双向DC/DC电路的控制中,一般采用平均电流控制法来实现电路的恒流,但由于受数字离散采样的影响,当电感电流工作于断续模式时,常规的平均电流控制方法效果较差。到目前为止,已有文献对数控系统中的电流采样进行了研究。本文针对这一问题,提出了一种断续下电流开环的控制策略,即通过采样变换器两端电压来实时计算出电感的平均电流,并将这一计算的电流值用于PI调节。实验结果表明,当电路工作于断续模式时,该控制策略具有很好的恒流效果。
1 数字控制双向DC/DC变换器
本文的双向DC/DC变换器属于20 kW电机驱动器的前级,其采用蓄电池作为输人,整个系统可以工作于电动机和发电机两种状态。当作为电动机工作时,通过蓄电池组来驱动电机,当作为发电机时,通过专门的内燃机拖动电机,并且通过双向DC/DC变换器来对蓄电池组进行充电。为了使电机获得恒定的力矩输出,因此通过前级DC/DC变换器来获得恒定的电流值。图1所示是系统的双向DC/DC变换器,本文的内容仅限于对该电路的讨论。
下面来分析该电路的工作原理。
1.1 正向电动机模式
此时S1工作于开关状态,S2、S3不导通,D2作为Buck电路的二极管,D3持续导通来输出可调的电压Uo,此时电路可以工作于恒流或恒压模式。
1.2 反向充电模式
当整个系统的内燃机开始工作后,后端负载电机处于发电状态。此时,可以通过图1的双向电路来对输人蓄电池组进行充电。由于后端电压会随着电机转速的高低而变化,因此,其反向充电可以工作于两种模式,即Buck充电和Boost充电模式。Buck充电时,S3工作于开关状态,S1、S2不导通,D4作为Buck电路二极管工作,D1常通。Boost充电时,S2工作于开关状态,S1、S3不导通,D1作为Boost电路的二极管工作。
在DC/DC电路中,电流是变化最快的物理量,因此要求电流环具有很高的带宽。从而在数字控制系统中,必须对每个开关周期中的电流值进行采样。通常数字控制时只对开关周期中的电流进行一次采样,并把这个电流作为开关的平均电流,然后经过数字PI环来进行闭环控制。对于本系统中采用的DSP TMS320F2407A控制芯片,其工作频率可以高达40 MHz,单路最高采样频率为2 MHz。因此,在一个开关周期中,可以选取不同的点来进行电流值的采样。图2是对开关周期中电流的几个采样点,其中D是电路的占空比,Ts是开关周期。
当数控系统在B、C两点进行电流采样时,由于此时电感电流处于上升和下降的中点,可以认为该点所采电流为开关内的平均电流,在数字PI环的计算中可以直接采用。如果在A点进行电流的采样,由于此时电路中功率器件处于开关状态,其电流采样精度最差,而且采样所得的电流值不是开关周期内的平均电流值,须进行计算来获得平均电流。因此,在实际的数控系统中一般在B、C两点进行电流的实时采样,本文选择B点作为电流采样点。由于B点是电感电流的上升中点,因此,当电感电流连续时,其值即为电感的平均电流IL,当电感电流断续时,其值为 。
2 新型数控电流环的提出
下面以Buck电路为例来说明断续模式下电流的控制。在Buck电路中,电感电流断续和连续的判断条件如下。
通过实时检测输入电压Uin和输出电压Uo,同时电路的占空比D,开关周期TS,电感L已知,从而可以计算出电感电流的脉动量。然后将该脉动量与采样电流进行比较,可以判断出电路的工作状态。
这里讨论当电感电流断续时,其平均电流的计算方法,Buck电路中电感电流如图3所示。
Buck电路中电感电流的平均值为
当电感电流断续时,由于引人了输入电压的前馈,因此对输入电压的变化响应较快。
3 实验结果
实验中采用600 V/300 A的IGBT模块,控制芯片采用TI公司的TMS320F2407A DSP芯片,开关频率20 kHz。实验中采用200 V蓄电池作为输入电压,80 V蓄电池作为输出电压。图4是正向放电时电流断续波形,图5是电流断续时二极管两端的电压波形。图6是正向放电时连续电流波形,图7是电流连续时二极管两端的电压波形。从以上波形可以看出,无论系统工作于电流连续还是断续状态,其控制效果均较为理想。
4 结语
本文针对数控系统对电感电流的离散采样,提出了一种实时计算方法。该方法利用电压量来获取电感的平均电流,并通过该电流实现断续状态下的恒流控制。实验结果表明该控制算法可以很好的实现断续电流的采样,并且整个系统在恒流控制上有很好的效果。