基于数字控制的双向直流变换装置的设计

摘要：针对大功率Bi Buck-Boost直流变换装置进行了研究，采用工程设计法设计了基于电流模式闭环控制的调节器。搭建了试验样机，并以TMS320F28335为核心控制单元设计了控制电路。为便于实现数字调节器，推导了两个具有高阶形式调节器的增量式数字调节器算法。通过仿真程序和试验样机分别对双向直流变换装置的输出特性进行了验证。仿真和试验结果一致且符合设计要求，验证了设计方法和参数是合理有效的。
关键词：变换器；工程设计法；数字控制

1 引言
    双向直流变换器主要应用在小功率场合，由于其电流双向的特点，所以在如船舶电力推进等存在再生制动的大功率推进场合也有广泛的应用前景。通常，电力变换装置控制系统是基于小信号模型的动态校正来完成调节器的设计工作，设计过程复杂。此处将调节器的工程设计法引入到双向直流变换装置调节器的设计中，可简化闭环系统的设计过程。同时，电力变换装置的调节器往往是结构较为复杂的非PID形式。为便于数字调节器的实现，针对所设计的两种复杂结构的调节器的增量式算法进行了推导。构建以TMS320F28335为核心控制单元的直流变换装置，并进行了系统设计的仿真与样机试验。

2 电路拓扑及调节器参数计
2．1 Bi Buck-Boost变换器电路拓扑
    通过在单向Buck直流变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管可构成BiBuck-Boost直流变换装置，其构成如图1所示。VS2工作，VS1截止工作在降压模式；VS1工作，VS2截止工作在升压模式。两个功率开关器件的驱动信号可采用带有死区时间的互补PWM信号。

2．2 主拓扑参数的选择
    针对功率为80 kW，电压为1 000 V／800 V的Bi Buck-Boost变换器进行研究。考虑到实际应用中可选IGBT的开关频率情况，选定开关频率为1 kHz。根据文献，电路工作在CCM状态，储能电感计算式为：
   
    式中：Iom为最小平均电流；Ui为输入侧直流电压；Uo为输出侧直流电压；f为IGBT开关频率。
    所需滤波电容的设计值为：
   
    式中：△Uo为纹波峰峰值。
    结合本系统，确定储能电感为5 mH，滤波电容为250μF。
2．3 闭环形式及调节器工程设计
    闭环控制采用具有快速暂态响应的电流控制模式。电流模式控制系统框图如图2所示，采用工程设计法进行了调节器的设计。

    图中，N为扰动。PWM脉冲触发和变换装置是一个纯滞后环节，设计中可等效为一阶惯性环节。滤波环节传递函数为：
   
    负载为R的电容端输出电压与电感电流间的传递函数为：
   
    文献基于最佳整定设计思想归纳出调节器的一种工程设计方法，简称工程设计法。此处将该设计思想应用到电力变换装置闭环控制调节器的设计中。电流环被控对象为：
   
    考虑到电流环的主要作用是为了提高调节过程的跟随性能和电流限幅的作用，设计中经过将电流环校正成典型I型系统，采用工程设计法设计成二阶最佳系统，获得调节器为：
   
    电流环截止频率ωci=300 Hz。验证电力变换装置近似处理条件，满足要求。
    电流环为一个二阶系统，通过忽略高次项的近似处理将电流环简化为一阶惯性环节。则电压环被控对象为：
   
    考虑到电压环对稳态性能和抗扰性能的要求，将电压环校正成典型Ⅱ型系统，采用工程设计法取中频宽h=5，确定电压环调节器为：
   
    电压环截止频率ωun=180 Hz。验证忽略高次项的近似处理条件，满足要求。

3 数字调节器的增量式算法
    由于所研究系统为基于DSP芯片的数字控制系统，所以需推导出适合离散化的数字调节器算法。系统采用增量式数字调节器算法。
    根据式(6)，电流调节器的一般形式为：

    式(15)即为电压调节器增量式控制算法的增量部分。对比工程设计的结果，将参数代入即可获得便于DSP实现的增量式数字调节器。

4 Bi Buck-Boost直流变换仿真与试验
4．1 仿真结果分析
    在Matlab／Simulink仿真软件环境下构建仿真程序。仿真参数为：功率80 kW，输入直流侧通过三相交流整流获得，输出直流侧电压要求为(800±16)V，负载为电阻性负载。控制模式采用电流模式，VS1与VS2采用互补PWM触发，频率为1 kHz，设置死区时间为2μs。负载电阻8 Ω时启动电源模块，稳定后，通过调节电阻于0．5 s时突降50％额定负载，于1 s时再突加50％的额定负载，其仿真波形如图3所示。

    由图3所示仿真曲线可知，所设计系统具有良好的耐压特性，超调小于3％，上升时间0．1 s；对出现的突加减负载扰动具有良好的抑制作用，暂态电压恢复时间小于0．2 s。同时系统的稳态性能也较好，电压纹波系数小于2％；储能电感和滤波电容的电流波动小。
4．2 试验结果分析
    突加、减50％额定负载的试验曲线如图4所示，其中iL为负载电流。

    试验采用具有反并联二极管的IGBT半桥器件构成的功率为80 kW试验样机。控制芯片采用TMS320F28335，该处理器处理能力和处理速度有
明显提高，有利于复杂形式调节器的应用；驱动采用2SD315AI-33驱动板，试验电路输入、输出电容采用500μF／1 500 V的电解电容。测试仪器为DL750示波记录仪。可见，试验波形与仿真波形基本一致，验证了参数设计和仿真方法的正确性，同时也验证了所设计的非PID增量式数字调节器算法的正确性。

5 结论
    通过对Bi Buck-Boost直流变换装置的设计及仿真、试验研究，获得以下结论：首先，采用了工程设计法设计调节器参数简单快捷，便于工程实践；其次，通过对一般传函结构的调节器增量式算法的推导，实现了非PID调节器的数字化实现。仿真和试验结果均具有良好的动态性能和稳态性能，为大功率双向DC／DC变换装置的设计奠定了基础。