基于Boost變換器的蓄電池穩(wěn)定輸出設(shè)計(jì)

劉立言，龍永紅，吳煌輝，劉賢（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

基于Boost變換器的蓄電池穩(wěn)定輸出設(shè)計(jì)

劉立言，龍永紅，吳煌輝，劉賢
（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

為了使蓄電池的供電準(zhǔn)確穩(wěn)定，研究了雙閉環(huán)PI控制算法以及采樣數(shù)據(jù)的校正方法，總結(jié)了硬件器件選型和程序控制思路，在一定程度上提高了采樣效率與精確性。通過反饋的電流和電壓雙閉環(huán)控制使Boost變換器輸出電壓穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本方法的合理性。

Boost變換器；數(shù)據(jù)校正；雙閉環(huán)PI

0 引言

作為電力電子技術(shù)的一個(gè)重要分支，開關(guān)直流源被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)通訊、辦公自動(dòng)化設(shè)備、軍事、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。其中蓄電池的輸出受外界影響容易產(chǎn)生波動(dòng)，所以需要DC-DC變換器保證蓄電池的穩(wěn)定輸出。DC-DC變換器的實(shí)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)用模擬電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，數(shù)字化可以簡(jiǎn)化電路，尤其可以靈活應(yīng)用控制算法和策略實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜情況下電路的穩(wěn)定輸出。用軟件也能方便的解決器件個(gè)體的差異以及溫漂等問題。在一定程度上能節(jié)約硬件成本。DC/DC變換器穩(wěn)定的輸出是基本要求，因此研究數(shù)字化Boost變換器對(duì)蓄電池的穩(wěn)定輸出具有重要的意義。

針對(duì)BOOST電路輸出穩(wěn)定方面有各方面的研究。文獻(xiàn)［1］從交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)方面入手，擴(kuò)大了電路的穩(wěn)定域范圍，減小電流和電壓紋波。文獻(xiàn)［2］里通過4個(gè)獨(dú)立的開關(guān)管，形成4個(gè)獨(dú)立的占空比控制，定義3種不用的功率運(yùn)行模式，進(jìn)而控制Boost變換器的輸出。文獻(xiàn)［3］從電路的拓?fù)浣嵌瘸霭l(fā)，讓變換器工作于DCM模式，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制輸出功率。文獻(xiàn)［4］通過直接控制電感電流從而控制輸出電壓的方法，實(shí)現(xiàn)了消除輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)［5］采用單閉環(huán)控制給蓄電池供電。

本文設(shè)計(jì)了一種給蓄電池供電的雙閉環(huán)控制的Boost轉(zhuǎn)換器，使控制響應(yīng)時(shí)間縮短，同時(shí)輸出電壓能穩(wěn)定在設(shè)定值。硬件采用DSP芯片控制電路，相較于專用芯片控制的Boost轉(zhuǎn)換器，能夠使用程序方便的實(shí)現(xiàn)智能輸出。主電路使用線性光耦芯片進(jìn)行主電路與控制回路的隔離。為了夠降低采樣時(shí)的損耗與提高準(zhǔn)確度，使用了電流霍爾傳感器，同時(shí)設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的采樣電路和采樣程序。為了穩(wěn)定而快速的控制電路的輸出電壓，在控制PWM占空比的程序中使用雙閉環(huán)PI算法。通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試證實(shí)上述設(shè)計(jì)的有效性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本文的硬件設(shè)計(jì)思路如圖1所示，它由Boost主電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路組成。其控制方式采用雙閉環(huán)PI控制。

圖1 Boost變換器電路圖Fig.1 Circuit diagram of Boost converter

其中電壓采樣模塊是在電路的輸出端用分壓電阻進(jìn)行采樣。為了隔離主電路與采樣電路，加入電壓跟隨器作為中間級(jí)。在中間級(jí)之后，為了保證數(shù)字電路的可靠采樣，在一部分信號(hào)干擾較為嚴(yán)重或者被采樣電壓的等級(jí)過高時(shí)進(jìn)行隔離采樣。隔離采樣一般可以用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)隔離，將采樣電阻的電流通過霍爾傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，因此在采樣的過程中造成了一定損耗，本文不予采用。另外一種光耦隔離芯片在數(shù)字信號(hào)的隔離中也經(jīng)常用到，但是一般的光耦芯片在一定情況下有非線性傳輸特性，傳輸特性會(huì)在一定程度上受周圍溫度的影響，因此本文采用線性光耦［6-7］。它能簡(jiǎn)化模擬信號(hào)傳輸中的隔離電路設(shè)計(jì)，并且利于提高DSP的采樣精度。

電流采樣一般有兩種方式，一種是使用采樣電阻，通過采樣電阻的電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。另一種是霍爾傳感器，直接將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)［8］。由于采樣電阻會(huì)導(dǎo)致電路的損耗增加，因此選擇更為高效，精度更高的霍爾傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅饔址譃殚]環(huán)模式和開環(huán)模式。為了簡(jiǎn)化電路，同時(shí)提高精度和線性度，本文選擇開環(huán)模式的霍爾傳感器，即傳感器的輸入為電流，輸出為電壓。但是此傳感器沒有隔離作用，為了防止主電路對(duì)DSP的沖擊，在霍爾傳感器與DSP之間要加上一個(gè)隔離模塊。

電流采樣的輸出電壓可能會(huì)超過DSP采樣電壓范圍，所以需要其進(jìn)行調(diào)制才能輸入到DSP的采樣通道。調(diào)制方法有兩種：第一種是偏置電路，將輸出電壓通過硬件電路對(duì)其進(jìn)行減法運(yùn)算，使電壓降到DSP采樣可接受范圍同時(shí)不影響采樣靈敏度，但是其實(shí)現(xiàn)需要較多元器件造成成本升高。第二種是將輸出電壓經(jīng)過分壓的形式進(jìn)行降壓。為了保證傳輸穩(wěn)定，需要在分壓前加上電壓跟隨器。此種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，但相對(duì)會(huì)降低一定精度。本文采用第二種方式實(shí)現(xiàn)DSP采樣。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

如圖2為程序設(shè)計(jì)的流程圖。本文采用DSP完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。AD采樣為系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)包括電壓和電流的反饋，采樣進(jìn)DSP的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部的分析轉(zhuǎn)換成實(shí)際的電壓和電流值。通過采樣得到的電流值和電壓值進(jìn)行判斷模糊PI處理，得到一個(gè)控制量，DSP的事件管理器將控制量轉(zhuǎn)換成PWM。DSP輸出的PWM經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后控制MOS管的通斷，最終實(shí)現(xiàn)Boost電路的雙閉環(huán)控制。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Programming flow diagram

PWM程序分為兩個(gè)部分，一部分是開環(huán)調(diào)試時(shí)執(zhí)行，另一部分是閉環(huán)控制時(shí)執(zhí)行。

開環(huán)調(diào)試在DSP的事件管理器初始化程序中設(shè)定PWM的周期以及占空比，使Boost電路輸出恒定電壓，用于檢測(cè)電壓和電流采樣結(jié)果，檢驗(yàn)校正效果，以及確定電路正常的工作條件。

閉環(huán)控制時(shí)，PWM根據(jù)PI計(jì)算出的值，在周期中斷的子程序中更新新的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。此時(shí)，DSP的PWM輸出不再是初始化時(shí)的固定占空比，而是經(jīng)過電壓PI以及電流PI修正過后的占空比，實(shí)現(xiàn)電路的反饋控制。

電路在實(shí)際工作過程中，剛啟動(dòng)時(shí)由于電容的存在，會(huì)有較大的沖擊電流，另外DSP在初始化時(shí)會(huì)輸出高電平導(dǎo)致MOS管開通使輸入短路，因此必須要加上軟啟動(dòng)電路才能正常工作。為了防止過流過壓，當(dāng)采樣到異常數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)切斷主電路上的繼電器，同時(shí)停止PWM輸出。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 AD采樣

由于采樣條件的不穩(wěn)定，采樣數(shù)據(jù)不可避免產(chǎn)生誤差，此誤差為過失誤差，不真實(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)控制效果造成不良影響。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)校正后，其有用的數(shù)據(jù)會(huì)增加。因此對(duì)于數(shù)據(jù)的校正是十分必要的。過失誤差一般可分為3種方法檢查。理論分析法可能會(huì)忽略一些潛在的潛在的誤差，硬件冗余法對(duì)于過多變量會(huì)造成成本增加，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對(duì)于硬件要求不高，便于實(shí)時(shí)運(yùn)行。所以本文采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的處理。

由于采樣過程中干擾信號(hào)的存在，導(dǎo)致采樣得到的數(shù)據(jù)有波動(dòng)，甚至出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，因此本文根據(jù)實(shí)際的采樣情況選擇限幅平均濾波法濾波。相較于其他濾波方式，它能克服偶然性的干擾，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的平滑性 。將濾波后的值做為實(shí)際的采樣值進(jìn)行校準(zhǔn)處理。這樣就能濾去偶然產(chǎn)生的較大干擾以及使數(shù)據(jù)平滑的過渡，防止出現(xiàn)過大的輸出波動(dòng)。

經(jīng)過濾波后的采樣值通過校正后即可作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行PI計(jì)算。經(jīng)過校正后作出DSP采樣通道實(shí)際電壓和誤差電壓的分布圖如圖3。

圖3 采樣通道實(shí)際電壓與誤差電壓分布圖Fig.3 The distribution of actual voltage and error voltage

圖3中X軸為給定的采樣電壓，Y軸為給定電壓減去采樣電壓。可以看出DSP的采樣通道在中段也就是0.7V-1V之間的誤差較小，采樣精確，但是在低電壓和高電壓，尤其是在采樣2V以上的電壓時(shí)誤差特別大。根據(jù)誤差范圍的不同分別做出各個(gè)區(qū)間的輸出對(duì)應(yīng)輸入的函數(shù)，對(duì)于每個(gè)函數(shù)是否更符合數(shù)據(jù)的變化規(guī)律有一個(gè)值，這個(gè)值為擬合度R2，如果R2越接近1則表明此函數(shù)越符合數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。最終采樣通道校正分為7段，擬合度R2在0.9892-1之間。截取其中一段校正曲線如圖4。為了能確保最終Boost電路輸出誤差在0.1V以內(nèi)，上述采樣校準(zhǔn)數(shù)據(jù)每隔0.05V采樣一次。

圖4 校正曲線圖Fig.4 Correction chart

本文在DSP的AD采樣程序中，先將采樣得到的電壓信號(hào)通過計(jì)算得出電壓值，將此電壓值經(jīng)過濾波后進(jìn)行分段校正處理，即根據(jù)不同的誤差電壓值，進(jìn)行校正計(jì)算，再將校正后采樣通道的值根據(jù)電壓采樣電路中的分壓電路轉(zhuǎn)化為實(shí)際的輸出電壓，以及校正后的采樣通道的值根據(jù)霍爾電流傳感器電流對(duì)應(yīng)電壓的關(guān)系轉(zhuǎn)化為實(shí)際的電流值。最終將這兩個(gè)實(shí)際值作為PI控制的輸入量。

2.2 數(shù)字PI程序

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速并且精確的控制，需要采用相應(yīng)的算法來達(dá)到控制要求，本文選擇用工程中常用的數(shù)字PI算法來實(shí)現(xiàn)控制。PI控制可分為位置式和增量式，由于位置式PI在積分作用下飽和難以退出，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，而增量式可以解決此問題。因此本文選擇增量式PI。并分別設(shè)計(jì)了數(shù)字比例控制器和數(shù)字積分控制器［9］?？刂撇捎秒p閉環(huán)的方案，將電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)使響應(yīng)速度提高，電壓換作為外環(huán)用來穩(wěn)定輸出電壓。為了使輸出信號(hào)與反饋信號(hào)一致，程序中將電壓與電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為了占空比信號(hào)。在占空比輸出階段，為了防止過壓和過流，加入了限制占空比程序，避免外界過大的干擾，確保控制過程中的各項(xiàng)性能穩(wěn)定［10］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)主電路為Boost升壓電路，在負(fù)載為10歐，蓄電池輸入3.3V，設(shè)定輸出5V的情況下，單獨(dú)的電流內(nèi)環(huán)PI控制輸出波形如圖5，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)PI控制輸出波形如圖6?？梢钥闯鲈趩为?dú)的電流環(huán)基礎(chǔ)上加入電壓外環(huán)以后輸出電壓控制得更加穩(wěn)定。

圖5 獨(dú)立電流環(huán)PIFig.5 Independent current loop PI

圖6 電壓環(huán)外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)PIFig.6 The voltage loop and current loop PI

在PI的調(diào)試過程中，調(diào)試的方法是先調(diào)電流內(nèi)環(huán)，再調(diào)電壓外環(huán)。表1為PI調(diào)試過程中的參數(shù)。

根據(jù)表1，得出最終的電流環(huán)PI參數(shù)為：I=0.3，P=0.00009。電壓環(huán)PI參數(shù)為：I=0.005，P=0.0031。

表1 PI調(diào)試過程中的參數(shù)Tab.1 The PI parameter in the process of debugging

系統(tǒng)在10歐負(fù)載下，圖7為響應(yīng)時(shí)間，圖8為穩(wěn)定后的輸出波形，可以看出響應(yīng)時(shí)間在50ms，誤差在0.2V以內(nèi)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的Boost升壓電路，使用線性光耦進(jìn)行主電路與控制電路的隔離，電流采樣的電路中用霍爾傳感器將采樣電流轉(zhuǎn)為電壓，降低了電路損耗。在DSP程序中將采樣進(jìn)的電壓值還原為實(shí)際的電壓和電流值進(jìn)行PI控制?？刂骗h(huán)節(jié)采用電流、電壓瞬時(shí)值控制，控制算法為雙閉環(huán)形式的增量式PI。為了確?？刂频姆€(wěn)定，防止誤擾動(dòng)，提高控制的各項(xiàng)性能，在輸出占空比以及PI增量處進(jìn)行了限幅。電路控制的核心是TMS320F2812芯片，最終穩(wěn)定的升壓功能能夠很好的滿足蓄電池供電的要求。

圖7 響應(yīng)時(shí)間Fig.7 Response time

圖8 誤差值Fig.8 Error value

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Design of Ouput Voltage Stability for Battery Based on Boost Converter

LIU Li-yan， LONG Yong-hong， WU Huang-hui， LIUxian
（College of Electrical & Information Engineering Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China）

In order to make the battery power supply is stable，sampling selection of hardware device and process control ideas is given after studying the double closed-loop PI control algorithm and sample data correction method，this improves the efficiency and accuracy to some extent.Design of double closed-loop PI regulator so that the output voltage stability.Experimental results confirm the validity of the method.

Boost converter； Data correction； Double closed-loop PI

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.03.001

LIU Li-yan， LONG Yong-hong， WU Huang-hui， et al.Design of Ouput Voltage Stability for Battery Based on Boost Converter［J］.The Journal of New Industrialization， 2016， 6（3）∶ 1-6.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61503131）

劉立言（1990-），男，湖南工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其系統(tǒng)；龍永紅（1968-），男，教授，主要研究方向：模式識(shí)別與人工智能，智能儀器；吳煌輝（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)；劉賢（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)

本文引用格式：劉立言，龍永紅，吳煌輝，等.基于Boost變換器的蓄電池穩(wěn)定輸出設(shè)計(jì)［J］.新型工業(yè)化，2016，6（3）：1-6.