車用BUCK變換器控制策略的研究

高曉宇， 韓志平， 田德文， 劉華源

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

車用BUCK變換器控制策略的研究

高曉宇， 韓志平， 田德文， 劉華源

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

針對車載高壓直流電源在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、供電負(fù)載頻繁發(fā)生突變時(shí)輸出直流電壓產(chǎn)生波動(dòng)的問題，提出了超前-滯后補(bǔ)償策略,采用復(fù)合控制的方式對輸出電壓進(jìn)行控制.仿真和臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果表明，該控制策略實(shí)現(xiàn)了在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及電源負(fù)載發(fā)生突變時(shí)對直流電源輸出電壓的穩(wěn)定控制.

高壓直流電源；BUCK變換器；超前-滯后補(bǔ)償策略

Abstract：Targeting the problem of the vehicle-mounted high voltage DC power supply′s output fluctuation that caused by engine speed fluctuation or output load variation, a lead-lag compensation strategy was presented to improve the original BUCK converter control strategy by analyzing the theory of the output fluctuation. By using the composite control strategy, the output voltage of DC power supply was controlled steadily when the engine speed and load change frequently. Simulation and test results show that the control strategy is feasible and effective.

Keywords: high voltage dc power supply；BUCK converter；advanced-lag compensation strategy

隨著裝甲車輛的電氣負(fù)載不斷增加，功率不斷增大，低壓直流28 V電源已無法滿足整車的供電需求.因此，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min至2 500 r/min范圍內(nèi)頻繁變化的過程中，飛輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出10 kW這一需求，研發(fā)了270 V直流電源，并通過試驗(yàn)臺(tái)架對其進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，該高壓直流電源可以滿足飛輪發(fā)電機(jī)輸出功率為10 kW的要求，發(fā)電精度達(dá)到(270±7) V，符合設(shè)計(jì)要求.

但是，在起動(dòng)/停車、加速/減速等復(fù)雜工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁變化會(huì)使整流母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，而負(fù)載的變化也會(huì)對其產(chǎn)生較大的影響.雖然目前電壓紋波符合設(shè)計(jì)要求，但是為減小電壓波動(dòng)，削弱轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化對于輸出電壓的影響，我們對BUCK變換器控制策略[1]展開進(jìn)一步研究，以達(dá)到在頻繁起動(dòng)/停車等復(fù)雜工況下，直流電源輸出電壓波動(dòng)減小的目的.

1 270 V高壓直流電源的組成及原理

車載高壓直流電源系統(tǒng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪發(fā)電機(jī)、不控整流橋和BUCK斬波電路組成，其原理圖如圖1所示.

圖1 車載高壓直流電源原理圖

為實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)控制器高精度發(fā)電的功能，采用BUCK斬波電路與三相不控整流電路級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).當(dāng)起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式運(yùn)行時(shí)，采用三相不控整流器調(diào)節(jié)BUCK斬波IGBTG1的占空比D，來實(shí)現(xiàn)滿足270 V的直流電壓輸出.

BUCK變換器主電路參數(shù)如表1所示.

表1BUCK變換器參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值額定功率/kW10濾波電感/mH0.5輸出電壓/V270濾波電容/μF6600最大輸出紋波電壓/V0.25開關(guān)頻率/kHz10

2 高壓直流電源輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)的機(jī)理分析

在起動(dòng)/停車、加速/減速等復(fù)雜工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁變化會(huì)使整流母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，而負(fù)載的變化也會(huì)對其產(chǎn)生較大的影響.為解決這個(gè)問題，減小輸出電壓的紋波電壓，因此需要建立BUCK變換器動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型以及現(xiàn)有控制策略模型[2]，分析輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)的機(jī)理，并對其進(jìn)行仿真分析.

2.1 BUCK變換器動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型

BUCK變換器主電路如圖2所示.運(yùn)用擾動(dòng)法建立BUCK變換器動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型.

圖2 BUCK變換器主電路

圖中，C1、C2為輸入、輸出電容；rC1、rC2為輸入、輸出電容等效串聯(lián)電阻；L、rL為電感和電感內(nèi)阻；rds為開關(guān)元器件內(nèi)阻.

(1)

由式(1)求得系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(2)

將BUCK變換器參數(shù)代入式(2)，得

(3)

2.2 控制策略模型框圖

BUCK變換器采用直接導(dǎo)通時(shí)間控制，控制系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖如圖3所示.

圖3 控制系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

圖3中，Gdo(s)為BUCK斬波電路的占空比d(s)到輸出電壓Uo(s)的傳遞函數(shù)；Gc(s)為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；H(s)為反饋的傳遞函數(shù)；Hc(s)為延遲函數(shù)；ZOH為零階保持器；To(s)為系統(tǒng)原始回路增益；Ts為采樣時(shí)間.

系統(tǒng)的回路增益函數(shù)為：

T(s)=Gc(s)·To(s).

(4)

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

To(s)=Gdo(s)·H(s)·Hc(s)·ZOH.

(5)

2.3 仿真結(jié)果分析

對圖3所示BUCK變換器控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真[3]，結(jié)果如圖4所示.

圖4 現(xiàn)有控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖4可以看出，在該控制策略下，直流電源輸出電壓符合國軍標(biāo)要求，但是系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，直流高壓電源輸出電壓確實(shí)存在波動(dòng)，系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力較差[4].

3 改進(jìn)后的控制策略

通過對BUCK變換器控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得知高壓直流電源輸出電壓在轉(zhuǎn)速/負(fù)載頻發(fā)發(fā)生突變時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)的主要原因在于系統(tǒng)只采用電壓環(huán)反饋控制調(diào)節(jié)輸出電壓，缺少補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò).

因此，為解決車載高壓直流電源在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、供電負(fù)載頻繁發(fā)生突變時(shí)輸出直流電壓產(chǎn)生波動(dòng)的問題，削弱轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化對于輸出電壓的影響，減小輸出電壓波動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，同時(shí)使系統(tǒng)有快速的過渡響應(yīng)和較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，在控制系統(tǒng)中增加超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)[5]，同時(shí)在反饋控制系統(tǒng)中增加前饋控制，引入隨轉(zhuǎn)速及負(fù)載變換的占空比前饋項(xiàng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度.

3.1 超前-滯后補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

設(shè)期望的補(bǔ)償后相角裕度PM=58°.期望的補(bǔ)償后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖如圖5所示.由圖5可知，期望的補(bǔ)償后系統(tǒng)相角裕度PM在角速度ω為1 470 rad/s時(shí)為60.1°，幅值裕度GM在角速度ω為4 390 rad/s時(shí)為11.3 dB.

超前-滯后補(bǔ)償器的控制器傳遞函數(shù)為

Gc(s)=Gc1(s)·Gc2(s).

(6)

圖5 期望的補(bǔ)償后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖

式中：Gc1(s)為滯后校正傳遞函數(shù)；Gc2(s)為超前校正傳遞函數(shù).

為使截止頻率附近幅值衰減，實(shí)現(xiàn)頻域指標(biāo)、改善穩(wěn)定裕度及低頻特性，首先進(jìn)行滯后校正.取期望相角裕度PM=40°.采用一階補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為：

(7)

已校幅值交越頻率ωGC滿足：

(8)

控制器增益為：

(9)

式中：ωz、ωp分別為零、極點(diǎn)頻率.

將PM=40°代入式(9)，得到：

ω1=1 470 rad/s,ωz=147 rad/s,

ωp/ωz=0.025 8,ωp=3.799 rad/s.

可求得滯后校正后的傳遞函數(shù)為：

(10)

故系統(tǒng)加上滯后補(bǔ)償器后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(11)

加入滯后校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖如圖6所示.由圖6可知，加入滯后校正后系統(tǒng)的相角裕度在角速度ω=1 440 rad/s時(shí)為23.5°，幅值裕度在角速度ω=2 370 rad/s時(shí)為7.32 dB.

圖6 加入滯后校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖

為了改善穩(wěn)定裕度同時(shí)提高響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)帶寬，并在滯后校正的基礎(chǔ)上進(jìn)行超前校正.取期望的相角裕度PM為58。.采用一階控制器，其傳遞函數(shù)為：

(12)

(13)

(14)

在超前校正中，由于相角對加強(qiáng)穩(wěn)定性很重要，因此最大超前角出現(xiàn)在已校正系統(tǒng)的交越頻率

(15)

在ωm處控制器的增益是：

(16)

(17)

將φm=58°-23.5°+5°=40°代入式(17)，則

(18)

求解得ωm≈2 295 rad/s，ωz=1 070 rad/s，ωp=4 963 rad/s.

因此，超前校正的傳遞函數(shù)為：

(19)

加入超前-滯后補(bǔ)償器后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(20)

對上述的超前-滯后補(bǔ)償器進(jìn)行參數(shù)整定，得到系統(tǒng)超前-滯后補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：

(21)

加入超前-滯后控制器后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖如圖7所示. 由圖7可知，補(bǔ)償后系統(tǒng)的相角裕度PM在角速度ω=1 570 rad/s時(shí)為57.8°，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.

圖7 采用超前-滯后補(bǔ)償器后的開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖

3.2 BUCK斬波電路前饋控制器設(shè)計(jì)

由于BUCK變換器控制系統(tǒng)運(yùn)行工況較為復(fù)雜，斬波電路的輸入電壓發(fā)生頻繁的變化，甚至存在較大輸入電壓波動(dòng)工況，所以單純采用直流電壓閉環(huán)的超前-滯后補(bǔ)償控制器無法有效滿足輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求.

為解決上述問題，采用復(fù)合控制策略，在超前-滯后補(bǔ)償控制器的基礎(chǔ)上，增加隨電機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化的占空比前饋項(xiàng).復(fù)合控制策略框圖見圖8.

圖8 轉(zhuǎn)速前饋復(fù)合控制策略框圖

圖8中，W1(s)、W2(s)為BUCK斬波電路開關(guān)功率器件前后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，W3(s)為濾波器，Uin為穩(wěn)態(tài)輸入電壓，KD為穩(wěn)態(tài)占空比.由復(fù)合控制原理可知，系統(tǒng)的擾動(dòng)誤差就是給定量Uref=0時(shí)的系統(tǒng)輸出量.由圖8可求得：

(22)

當(dāng)KD-UinGf(s)=0時(shí)，得Gf(s)=KD/Uin，即采用純比例前饋方式即可有效地抑制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化帶來的影響.當(dāng)輸入電壓Uin=850 V時(shí)，穩(wěn)態(tài)占空比為KD=0.318，前饋系數(shù)為Gf=3.74×10-4.

4 仿真并分析

4.1 轉(zhuǎn)速穩(wěn)壓特性

針對轉(zhuǎn)速變化穩(wěn)壓特性，在有無復(fù)合控制策略兩種情況下對控制器模型進(jìn)行仿真.仿真電壓波形如圖9所示.

圖9 轉(zhuǎn)速突變下控制器輸出電壓波形

由圖9可知：當(dāng)T=0.25 s電機(jī)轉(zhuǎn)速突升時(shí)，曲線1電壓泵升至270.8 V，在0.37 s時(shí)恢復(fù)；曲線2電壓泵升至270.1 V，在0.26 s時(shí)恢復(fù).

當(dāng)T=0.4 s電機(jī)轉(zhuǎn)速突降時(shí)，曲線1電壓跌至268.3 V，在0.6 s時(shí)恢復(fù)；曲線2電壓跌至269.3 V，在0.52 s時(shí)恢復(fù).

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，采用復(fù)合控制策略后輸出電壓波動(dòng)、恢復(fù)時(shí)間與未采用復(fù)合控制策略相比顯著減小.其中，在轉(zhuǎn)速突升工況下，電壓波動(dòng)被抑制為原值的12.5%，恢復(fù)時(shí)間縮短至原來的8.3%；在轉(zhuǎn)速突降工況下，電壓波動(dòng)被抑制為原值的58.8%，恢復(fù)時(shí)間縮短至原來的60%.系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)壓特性得到了明顯改善.

4.2 突加載仿真

仿真曲線比較圖如圖10所示.

圖10(a)給出了空載情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁變化時(shí)兩種控制系統(tǒng)輸出電壓仿真曲線圖.原控制系統(tǒng)輸出電壓在272～276 V范圍內(nèi)，新控制系統(tǒng)輸出電壓在270～275 V范圍內(nèi)，且曲線波動(dòng)較小，明顯優(yōu)于原控制系統(tǒng).

圖10(b)給出了發(fā)動(dòng)機(jī)突加載100 Ω時(shí)兩種控制系統(tǒng)輸出電壓仿真曲線圖.原控制系統(tǒng)輸出電壓在270～275 V范圍內(nèi)，新控制系統(tǒng)輸出電壓快速穩(wěn)定在270 V附近，明顯優(yōu)于原控制系統(tǒng).

圖10 仿真結(jié)果曲線比較圖

5 試驗(yàn)分析

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由飛輪發(fā)電機(jī)、飛輪電機(jī)控制器、超級(jí)電容、直流負(fù)載機(jī)、檢測設(shè)備、動(dòng)力電源等組成.

為驗(yàn)證控制策略的有效性，通過試驗(yàn)臺(tái)架對BUCK變換器進(jìn)行突加、突卸負(fù)載的試驗(yàn).

圖11為BUCK變換器的試驗(yàn)波形.圖11(a)為突加負(fù)載試驗(yàn).當(dāng)變換器穩(wěn)壓在270 V時(shí)，進(jìn)行突加負(fù)載試驗(yàn)，負(fù)載電流從0.8 A階躍到32.7 A，負(fù)載電壓從270 V階躍到244.8 V，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，穩(wěn)定性較好.圖11(b)為突卸負(fù)載試驗(yàn).突卸負(fù)載后，電壓由248.4 V階躍至270 V，電流由32 A階躍到0.4 A，整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，魯棒性較好.

圖11 BUCK變換器試驗(yàn)波形

由BUCK變換器試驗(yàn)波形可以看出，變換器擁有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較好的穩(wěn)定性.

6 結(jié) 論

針對車載高壓直流電源，輸出電壓波動(dòng)的問題，建立了BUCK變換器小信號(hào)模型，對現(xiàn)有控制策略加以改進(jìn)，提出了一種超前-滯后補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源負(fù)載突變時(shí)直流電源輸出電壓的穩(wěn)定控制.仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明,控制策略是有效的.

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ResearchonControlStrategyofBUCKConverter

GAO Xiao-yu， HAN Zhi-ping， TIAN De-wen， LIU Hua-yuan

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

U463.63

A

1009-4687(2017)03-0026-06

http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20170710.1036.002.html

2017-03-20.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-10.

10.16599/j.cnki.1009-4687.20170710.001

高曉宇(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰姍C(jī)驅(qū)動(dòng).