基于變速積分的直流浪涌發(fā)生器設(shè)計(jì)

劉密， 冬雷， 謝鵬飛

(1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190； 2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

0 引 言

機(jī)載直流用電設(shè)備的實(shí)際供電環(huán)境較為復(fù)雜，存在過、欠壓浪涌、供電中斷、電壓瞬變等可能工況。為了保證機(jī)載用電設(shè)備的安全運(yùn)行，標(biāo)準(zhǔn)GJB181A、RTCA-DO-160規(guī)定了機(jī)載設(shè)備必須滿足的供電要求。標(biāo)準(zhǔn)要求的供電電壓變化范圍較大，電壓瞬變過渡時間要求嚴(yán)格，對測試電壓發(fā)生系統(tǒng)提出了很高要求。使用直流穩(wěn)壓源+后級線性穩(wěn)壓是一種典型的28 V直流供電測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式[1-2]，但是該方案線性穩(wěn)壓部分功耗很大，電壓配置的靈活性相對局限。GJB181A中規(guī)定的直流系統(tǒng)分為28 V和270 V兩類，若使用單級DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)兩類電壓輸出，則低壓輸出時開關(guān)頻率占空比過小，開關(guān)管的電流應(yīng)力較大，效率低，且輸出電壓分辨率會相對較低[3]。Bcuk+橋式電路兩級變換，前級Buck針對28 V和270 V兩類直流系統(tǒng)，分別變換出低、高壓中間母線，后級橋式電路實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓輸出，可以有效提高控制脈寬和輸出電壓分辨率。論文采用基于DSP的全數(shù)字控制和變速積分算法，不僅可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓快速變化，還可以實(shí)現(xiàn)浪涌發(fā)生器與上位機(jī)的實(shí)時通訊，提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。

1 原理與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以三相380 V交流電為輸入，通過橋式整流變換為直流母線。系統(tǒng)主功率回路還配置有快速熔斷器、浪涌抑制電路、輸入儲能電容和功率變換單元；控制回路由DSP控制器、輔助電源、隔離驅(qū)動電路、信號采集、串行通信電路等構(gòu)成?？刂破鞑捎肕C56F8013，該芯片結(jié)合上位機(jī)指令和采樣結(jié)果，通過控制策略給出主功率器件驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓輸出。浪涌發(fā)生器系統(tǒng)組成見圖1所示。

圖1 浪涌發(fā)生系統(tǒng)組成示意圖

1.1 主電路功率變換拓?fù)?/h3>

浪涌發(fā)生器主電路功率變換拓?fù)淙鐖D2所示，采用兩級DC/DC變換，由一個Buck變換和一個橋式變換組成。前、后級變換器均通過調(diào)節(jié)占空比來控制輸出電壓，前級Buck變換采用PI調(diào)節(jié)穩(wěn)定中間母線，后級變換采用變速積分PI調(diào)節(jié)確保輸出電壓的快速變化。

圖2 浪涌發(fā)生系統(tǒng)主電路拓?fù)?/p>

圖3 后級橋式變換主要工作波形

橋式變換采用中心對稱時序產(chǎn)生控制脈沖VG2、VG3實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，其主要工作波形如圖3所示。

t0→t1、t2→t3時刻，功率管M2、M3導(dǎo)通，UAB為中間母線U1，電感電流IL2線性增加。

t1→t2時刻，功率管M2導(dǎo)通，M3關(guān)斷，電感電流IL2通過M2、D2通路續(xù)流。

t3→t4時刻，功率管M2關(guān)斷，M3導(dǎo)通，電感電流IL2通過M3、D3通路續(xù)流。

實(shí)施具體控制時，設(shè)置VG2高電平有效、VG3低電平有效。若閉環(huán)計(jì)算所得控制量為占空比D，則施加于M2、M3上的控制量為：

DM2=0.5+D/2DM3=0.5-D/2

則電路實(shí)際的有效占空比仍然為D，且輸出電感電流脈動頻率為功率器件開關(guān)頻率的兩倍，可以有效減小輸出濾波器體積，提高輸出電壓的響應(yīng)速度。

1.2 變速積分算法

PI控制因其控制方便、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制中[4]。傳統(tǒng)開關(guān)型DC/DC變換器輸出電壓變換范圍不是很寬，固定的PI控制參數(shù)就可以適應(yīng)其工作狀態(tài)。本文所述浪涌發(fā)生器輸出電壓變化范圍大，電壓瞬變特性要求嚴(yán)格，固定的PI參數(shù)無法滿足全輸出范圍的工作狀態(tài)，故使用改進(jìn)的變速積分算法來解決該問題。

該系統(tǒng)所使用PI控制器表達(dá)式為：

(1)

式中u(k)為PI調(diào)節(jié)器輸出；Kp、Ki為比例、積分系數(shù)；N(j)為積分系數(shù)的權(quán)值；e(k)為偏差信號。系統(tǒng)的變速積分算法中積分系數(shù)是偏差信號的函數(shù)，當(dāng)進(jìn)行輸出電壓瞬變浪涌時，以目標(biāo)電壓給定和當(dāng)前電壓給定差值的20%(標(biāo)識為B)作為偏差判斷基準(zhǔn)。偏差越大，給定的積分系數(shù)越大，加快控制量的調(diào)節(jié)速度，偏差越小，給定積分系數(shù)變小。積分系數(shù)權(quán)值與偏差大小對應(yīng)的函數(shù)為：

(2)

變速積分控制解決輸出電壓瞬變過程中的快速性問題，當(dāng)輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，退出PI控制，進(jìn)行小區(qū)間滯環(huán)控制。根據(jù)輸出電壓偏差量自動進(jìn)行瞬態(tài)與穩(wěn)定控制的切換，滿足快速性與穩(wěn)定性的要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要根據(jù)用戶輸入，匹配各類硬件資源，確保功能實(shí)現(xiàn)的同時，提高執(zhí)行效率與可靠性，是浪涌發(fā)生器的核心部分。軟件開發(fā)基于56800E系列DSP專用IDE開發(fā)平臺CodeWarrior，主要使用了芯片內(nèi)部的PWM模塊、ADC模塊、定時器模塊和串行通信模塊[5]。

程序執(zhí)行過程中，為了確?？刂祁l率的準(zhǔn)確性，將PWM模塊中斷設(shè)置為較高優(yōu)先級。PWM服務(wù)程序?yàn)橹鞒绦?，該程序中開啟ADC采樣獲得最新數(shù)據(jù)，對采樣信號進(jìn)行初始數(shù)字濾波，并根據(jù)要求值和數(shù)據(jù)狀態(tài)得出當(dāng)前控制量，重載占空比輸出，程序流程如圖4所示。ADC模塊實(shí)時轉(zhuǎn)換電壓、電流信號，確保數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性。定時5 ms服務(wù)子程序判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，設(shè)置狀態(tài)參數(shù)。通信服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)浪涌發(fā)生器數(shù)據(jù)與上位機(jī)的交互，確保用戶指令的及時接收與浪涌發(fā)生器狀態(tài)的實(shí)時上傳。

圖4 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)搭建了一臺Buck+橋式兩級變換樣機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。浪涌發(fā)生器輸入電壓為三相380 V交流電壓，通過三相全橋整流產(chǎn)生直流母線。Buck和橋式DC/DC變換的主功率開關(guān)管均為IXFN38N100Q2兩只并聯(lián)，續(xù)流二極管為DSEI2×61-12B，隔離驅(qū)動芯片為HCPL3120，開關(guān)頻率20 kHz。Buck變換參數(shù)為：L1=20 μH，C1=100 μF；橋式變換參數(shù)為：L2=15 μH，C2=10 μF。輸出28 V直流測試系統(tǒng)Buck變換輸出中間母線為100 V，輸出270 V直流測試系統(tǒng)Buck變換輸出中間母線為390 V。測試輸出的峰值電流為低壓檔80 V/40 A，高壓檔350 V/16.8 A，輸出峰值功率分別為3.2 kW和5.9 kW。測試波形如圖5、圖6所示。

圖5 直流輸出28 V測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形

圖6 直流輸出270 V測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于變速積分控制的兩級式數(shù)字控制直流浪涌發(fā)生器，能夠產(chǎn)生GJB181A、RTCA/DO-160等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機(jī)載直流設(shè)備浪涌測試電壓。浪涌發(fā)生器可與上位機(jī)實(shí)時通信，可實(shí)現(xiàn)固定波形的多次發(fā)生，可擴(kuò)展為其他任意直流電壓波形發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，配置靈活，具有良好的應(yīng)用價值。

[1] 高楠,吳小華,劉源.基于PI調(diào)節(jié)的直流浪涌電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2012,36(4)：546-549.

[2] 楊鳴強(qiáng),陳乾宏,張超.28 V機(jī)載用電設(shè)備供電特性測試平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21(3)：623-625.

[3] 寧國云,王怡華,黃聲華,等.基于TMS320F2806 的兩級式DC/DC變換器[J].電力電子技術(shù),2011,45(5)：29-31.

[4] 陶永華,尹怡欣,葛蘆生．新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[5] 冬雷．DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．