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双向DC/DC变换器中电流断续的全数字控制研究

dingjia  发表于 2008/10/31 21:19:05      908 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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目前,随着电力电子技术和芯片技术的不断发展,越来越多的电力电子装置采用了全数字控制。与传统的模拟控制相比,数字系统具有更高的稳定性,是电力电子装置实现网络化和智能化所必备的。另外,全数字控制系统可以方便地通过编程来实现整个系统的其他辅助功能,例如网络通讯,数据交换等。因此,对电力电子装置采用全数字控制是大势所趋。

    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,S2S3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,S1S2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,S1S3不导通,D1作为Boost电路的二极管工作。

    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BC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BC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 AIGBT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。

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