孔祥增，林維明，徐玉珍，鮑光海

（福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州350108）

0 引 言

數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)電源因其能實(shí)現(xiàn)精確控制、參數(shù)一致性好、輸入輸出端口眾多、能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和控制策略等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的單環(huán)數(shù)字控制PID算法以及相應(yīng)的優(yōu)化算法［3］基本上是基于單變量（電壓或者電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其在對(duì)輸出變化的響應(yīng)中，會(huì)導(dǎo)致較大的超調(diào)，本質(zhì)上屬于對(duì)模擬控制PID方式的一種數(shù)字化，不能將數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。本文分析了一種增量式PI算法和PWM占空比補(bǔ)償相結(jié)合的綜合算法，充分利用DSP可對(duì)既定變換器構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)在其工作范圍內(nèi)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的目的。本文以反激式變換器為主電路進(jìn)行了算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了這種綜合算法的快速性和可行性。

1 快速響應(yīng)的數(shù)字控制反激電路

1.1 基于數(shù)字控制變換器的系統(tǒng)構(gòu)成

概括說(shuō)來(lái)，基于數(shù)字控制的變換器系統(tǒng)構(gòu)成包括以下四大環(huán)節(jié)（如圖1）：

圖1 基于數(shù)字控制變換器的系統(tǒng)構(gòu)成

（1）主電路環(huán)節(jié)：主要包括電感、變壓器、電容、開(kāi)關(guān)器件參數(shù)合理選擇等硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題；

（2）采樣環(huán)節(jié)：包括電流、電壓采樣以及EMI濾波、比例設(shè)置、精度控制等硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題；

（3）控制環(huán)節(jié)：包括采樣時(shí)刻控制、采樣處理方式、PWM占空比計(jì)算算法、各種保護(hù)、中斷控制、通訊等軟件處理問(wèn)題；

（4）驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)：包括驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)速度、驅(qū)動(dòng)可靠性等硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1.2 具有負(fù)載快速響應(yīng)的反激數(shù)字控制框圖

本文采用反激拓?fù)錇橹麟娐?，如圖2所示，通過(guò)采樣輸出電流，計(jì)算輸出電流差值，結(jié)合輸入電壓的采樣識(shí)別，調(diào)取預(yù)先計(jì)算好的占空比補(bǔ)償系數(shù)，從而對(duì)占空比進(jìn)行快速補(bǔ)償（趨近穩(wěn)態(tài)工作所需的占空比），根據(jù)輸出電容電壓不能突變的原理，瞬間的輸出電流變化可以當(dāng)作是一種較為準(zhǔn)確的負(fù)載變化。由此實(shí)現(xiàn)的占空比補(bǔ)償是一種較為主動(dòng)的、準(zhǔn)確的補(bǔ)償方式，而不是單憑輸出電流或者輸出電壓改變量的大小來(lái)亦步亦趨地來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)整，這也是區(qū)別于傳統(tǒng)單電壓環(huán)和電壓電流雙環(huán)控制［6］的地方。而補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是要得到系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)的占空比補(bǔ)償系數(shù)，這可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)粗略地得到。

圖2 具有負(fù)載快速響應(yīng)的反激數(shù)字控制框圖

在以上的基礎(chǔ)上，再結(jié)合輸出電壓采樣，計(jì)算輸出電壓誤差以對(duì)占空比進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)占空比的微調(diào)，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作的占空比，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載突變的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以抑制輸出電壓超調(diào)并使其盡快穩(wěn)定。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 輸出恒壓DCM模式的反激電路主要參數(shù)

輸入DC電壓：Uin＝15 V～25 V；

輸出DC電壓：Uo＝15 V；

變壓器原副邊匝比：Np／Ns＝8／5；

額定功率：Po＝20 W；

開(kāi)關(guān)頻率：fs＝38 k Hz；

數(shù)字控制芯：DSPIC30F2020。

2.2 精準(zhǔn)電壓電路

在光耦隔離采樣和DSP進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的時(shí)候需要精準(zhǔn)電源作為參考電壓，確保傳輸和量化的精度（圖3）。

圖3 基于TL431的5 V精準(zhǔn)電壓電路

2.3 電壓隔離采樣電路［2］

為了確保輸入側(cè)、輸出側(cè)的電氣隔離，需要使用線性光耦來(lái)進(jìn)行隔離采樣。注意隔離采樣時(shí)候的電壓比例設(shè)置（Uin／R13＝UADC／R10），以免允許的輸出電壓波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致采樣失真，同時(shí)在DSP的ADC輸入端口需要進(jìn)行電壓限幅保護(hù)，如圖4。

圖4 基于HCNR20X的電壓隔離采樣電路

2.4 電流采樣電路說(shuō)明

輸出電流通過(guò)小阻值的采樣電阻來(lái)采樣，進(jìn)行RC濾波，經(jīng)過(guò)同相比例放大，再通過(guò)光耦隔離送到DSP的ADC端口。

2.5 驅(qū)動(dòng)電路說(shuō)明

為了有利于提高變換器的效率、實(shí)現(xiàn)下管的軟開(kāi)關(guān)和充分利用DSP的I／O端口，這里采取有源鉗位的方式，由于上管需要隔離驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路使用具有電平上舉功能的IR2110來(lái)實(shí)現(xiàn)上下管的驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 基于IR2110的驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)方式完成，其中包括：PWM模塊、ADC模塊、中斷模塊、主程序模塊、I／O設(shè)置、寄存器設(shè)置等設(shè)置。

3.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程圖

如圖6所示，主程序開(kāi)始之后，便開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)模塊的初始化設(shè)置，包括ADC模塊、PWM模塊、中斷模塊等操作。設(shè)置完成后，啟動(dòng)PWM和ADC，這里采用ADC中斷循環(huán)控制模式，對(duì)ADC中斷進(jìn)行識(shí)別并執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。

3.2 中斷程序流程及算法

中斷程序是主程序的核心運(yùn)行程序，完成著實(shí)現(xiàn)ADC采樣、系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別以及實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)、執(zhí)行占空比計(jì)算和賦值操作等功能。

詳細(xì)的中斷程序流程狀態(tài)如圖7所示。

圖7 中斷處理程序流程圖

采用增量式PI算法，同時(shí)通過(guò)設(shè)置多個(gè)PI參數(shù)值，根據(jù)設(shè)置不同的偏差區(qū)域來(lái)調(diào)取不同的PI參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在大偏差區(qū)時(shí)實(shí)現(xiàn)積分分離以避免大的超調(diào)［3］，并且通過(guò)設(shè)置一定的偏差死區(qū)來(lái)避免極限環(huán)振蕩，增量式PI的表達(dá)式為：

式中，D＿△Uo＿PI為占空比的改變量；ε＝e（i）－e（i－1）；e（i）＝輸出電壓參考值－輸出電壓采樣值；e（i）為當(dāng)前電壓差值；e（i－1）為前一次的電壓差值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；D0為前次的占空比；D1為新占空比。

當(dāng)負(fù)載突變的時(shí)候，為了實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，占空比必然需要較大幅度地調(diào)整?？墒菃为?dú)依靠輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)，在響應(yīng)速度上有局限性。本文通過(guò)采樣輸入輸出的電壓電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓變化和輸出負(fù)載切變進(jìn)行及時(shí)跟蹤，對(duì)占空比進(jìn)行快速地補(bǔ)償調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的目標(biāo)。

式中，D＿△Io＿Uin為對(duì)應(yīng)不同輸入電壓和不同輸出電流變化量時(shí)的占空比補(bǔ)償量；Ku對(duì)應(yīng)不同輸入電壓和不同輸出電流變化量時(shí)的占空比補(bǔ)償系數(shù)；△Io＝當(dāng)前電流值－前次電流值，即為輸出電流差值。對(duì)于Ku，可以通過(guò)計(jì)算得出。

對(duì)于DCM模式的反激變換器，當(dāng)其工作穩(wěn)定后，在單個(gè)PWM周期里，本文作如下假設(shè)：

（1）變換器的效率是η＝0.85；

（2）單個(gè)周期內(nèi)從電源輸入的能量為Win；

（3）單個(gè)周期內(nèi)輸出的能量為Wo；

（4）加在初級(jí)線圈上的電壓為Uin；

（5）單周期內(nèi)輸入電流的平均值為Iin＿ave；

（6）初級(jí)線圈在Ton時(shí)間時(shí)的電流為IL；

（7）PWM 的周期為T(mén)S；

（8）初級(jí)線圈的電感量為L(zhǎng)；

（9）穩(wěn)定工作后，占空比為D。

由上可得：

整理得：

由此，當(dāng)Uin確定后，D將成為Io的函數(shù)。

當(dāng)Uin＝25 V時(shí)，將參數(shù)代入得到函數(shù)圖形如圖8所示。

圖8 理論計(jì)算得到的輸出電流I o與占空比D

從圖8中可以看出輸出電流和相應(yīng)的占空比，在一定范圍內(nèi)，可以近似地認(rèn)為是線性關(guān)系，為了簡(jiǎn)化DSP的運(yùn)算，可對(duì)其進(jìn)行最小二乘法擬合，得到：

在不同的Uin時(shí)，將得到不同的直線方程系數(shù)KD。值得說(shuō)明的是，變換器在不同功率點(diǎn)上的效率是不一樣的，但是其總體偏差還是比較小的，可認(rèn)為其在某個(gè)輸入電壓的情形下，其函數(shù)關(guān)系是固定的。因此當(dāng)輸出電流變換量為△Io時(shí)，其對(duì)應(yīng)占空比變化量為KD△Io。這里采用一種弱補(bǔ)償方式，即實(shí)際補(bǔ)償系數(shù)為Ku＝K1KD（K1取0.9）。同時(shí)，當(dāng)輸出電流變化很小的時(shí)候，設(shè)置補(bǔ)償死區(qū)，取消補(bǔ)償，以防止占空比振蕩，防止輸出電壓超調(diào)或者大的跌落。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法，搭建了一個(gè)軟硬件平臺(tái)，對(duì)未經(jīng)過(guò)占空比補(bǔ)償和有經(jīng)過(guò)占空比補(bǔ)償?shù)膬煞N情形進(jìn)行了負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч?shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖9。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文采用增量式PI算法和PWM占空比補(bǔ)償相結(jié)合的綜合算法的動(dòng)態(tài)效果要明顯優(yōu)于常規(guī)方法的效果。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出實(shí)際測(cè)得的輸出電流與占空比關(guān)系曲線跟理論計(jì)算得到關(guān)系曲線基本吻合，也驗(yàn)證了這種控制方式的有效性。此方法可以應(yīng)用推廣到其他的電路拓?fù)淇刂浦?，以提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

［1］ 陳 堅(jiān).電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］ 鄧醉杰.復(fù)合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)端電壓采樣隔離電路——線性光耦HCNR200的應(yīng)用［J］.防爆電機(jī)，2006，41（2）：36－38.

［3］ 嵇保健.DC／DC變換器數(shù)字控制方法研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（4）：29－30.

［4］ 趙異波，何湘寧.電力電子電路中的數(shù)字化控制技術(shù)［J］.機(jī)電工程，2001，18S.

［5］ Grote T，F(xiàn)igge H，F(xiàn)rohleke N，Bocker J，Schaf meister F.Digital control strategy f or multi－phase interleaved boundary mode and DCM boost PFC converters［C］.Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE），2011 IEEE.2011：3186－3192.

［6］ 舒為亮，張昌盛，段善旭，等.逆變電源PI雙環(huán)數(shù)字控制技術(shù)研究［J］.電工電能新技術(shù)，2005，24（2）：52－54.

［7］ Li B R，Chiang H K，Chen K C，Wang D.Analysis，design and i mplementation of an active clamp flyback converter［C］.IEEE PEDS，2005：424－429.