基于PI控制的DC/DC變換器峰值電流控制策略

張同國(guó)，高文進(jìn)，張 冀，高錦宏，石 超

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

0 引言

DC∕DC 控制常使用電壓外環(huán)控制結(jié)合電流內(nèi)環(huán)控制的模式，電流控制模式分為峰值電流控制和均值電流控制。峰值電流控制具有明顯優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，過(guò)流保護(hù)效果好，改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性；但存在占空比大于50%時(shí)出現(xiàn)次諧波振蕩的缺陷，抗干擾能力差，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜[1]。

戚志東[2]和盧偉國(guó)[3]均采用數(shù)字PID 的均值電流控制方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)過(guò)流時(shí)的快速保護(hù)；蘭森林[4]分析了模擬電路峰值電流控制原理及諧波補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，控制靈活度低；周至凱［5］提出的數(shù)字峰值電流控制將諧波補(bǔ)償數(shù)字化后動(dòng)態(tài)計(jì)算峰值電流設(shè)定值，計(jì)算量大，且依賴(lài)于電感參數(shù)。

針對(duì)峰值電流控制技術(shù)存在的在占空比大于50%出現(xiàn)固有的次諧波振蕩，常用解決策略是加入斜坡補(bǔ)償，傳統(tǒng)解決方法是模擬電路實(shí)現(xiàn)的斜坡補(bǔ)償，需要額外添加電路，增加了硬件設(shè)計(jì)工作及電路復(fù)雜度，且該斜坡補(bǔ)償屬于開(kāi)環(huán)控制，易受擾動(dòng)影響，魯棒性差；第二種方式是數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)斜坡補(bǔ)償，不需要增加額外電路，但同樣與第一種方案相同，屬于開(kāi)環(huán)控制，易受擾動(dòng)影響，魯棒性差[6-8]。

基于以上問(wèn)題，本文提出了一種基于數(shù)字PI 控制器的峰值電流控制策略，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，解決占空比大于50%是存在的固有次諧波振蕩問(wèn)題。

1 峰值電流控制

1.1 Boost變換器工作原理

Boost 變換器電路如圖1（a）所示（電感L、二極管D、開(kāi)關(guān)管S、輸入電容C、輸入直流電源Us、負(fù)載電阻R）。假設(shè)所有元器件都是理想器件。在開(kāi)關(guān)管S 導(dǎo)通時(shí)如圖1（b）所示，在開(kāi)關(guān)管S 斷開(kāi)時(shí)如圖1（c）所示。根據(jù)電感電流是否連續(xù)Boost 變換器分為連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode，CCM）和不連續(xù)導(dǎo)電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）。本文只考慮CCM 模式，設(shè)PWM 占空比為D，容易導(dǎo)出Boost 升壓電路的升壓比為：

圖1 Boost電路原理

由式（1）可知占空比越大，升壓比越大，反之越小。

1.2 峰值電流控制及諧波分析

Boost 變換器峰值電流控制原理如圖2 所示。將采集的輸出電壓V與電壓控制信號(hào)Vref比較，經(jīng)過(guò)放大器輸出峰值電流控制信號(hào)Iref。在時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)刻（如圖3 中Ts點(diǎn)）比較器輸出高電平，觸發(fā)觸發(fā)器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通。將電感電流的峰值電流I與電流控制信號(hào)Iref進(jìn)行比較，電感電流增加，直到電感電流I大于電流控制信號(hào)Iref時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器輸出低電平，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)。直至下一個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)，觸發(fā)器輸出高電平，依次循環(huán)形成峰值電流控制。

圖2 Boost變換器峰值電流控制原理

圖3 所示為電感電流波形。圖中的實(shí)線(xiàn)波形，在Ts至Ton段開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，電感電流上升，在Ton至Ts段開(kāi)關(guān)管S 斷開(kāi)，電感電流下降。峰值電流控制在占空比大于50%時(shí)會(huì)出現(xiàn)固有的次諧波振蕩。Iref為峰值電流控制信號(hào)，Ts時(shí)刻為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻，Ton時(shí)刻為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻。

圖3 電感電流波形

設(shè)電感電流的上升斜率為m1，下降斜率為m2，電感電流初始擾動(dòng)為ΔI1，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后電感電流誤差：

經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期后電感電流誤差：

經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后電感電流誤差：

在占空比小于50%時(shí)，m1＞m2，通過(guò)式（4）可知，電感電流誤差會(huì)逐漸減小，趨近于零，系統(tǒng)將達(dá)到穩(wěn)定；在占空比大于50%時(shí)，m1＞m2，通過(guò)式（4）可知，電感電流誤差會(huì)逐漸增大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失控。

2 數(shù)字峰值電流控制器設(shè)計(jì)及仿真

2.1 數(shù)字峰值電流控制器設(shè)計(jì)

本文提出了一種基于PI 控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字峰值電流控制的方法。當(dāng)前AD 芯片的采樣率及控制芯片（ARM、DSP、FPGA 等）ADC采集的速度及精度，能夠精確采集到峰值電流，使用ADC 采集到的峰值電流與電流控制信號(hào)作為PI 調(diào)節(jié)器的輸入能夠?qū)崿F(xiàn)純閉環(huán)的控制。同時(shí)，利用采集到的峰值電流做過(guò)流保護(hù)起到高速有效的效果[9-10]。

數(shù)字峰值電流控制原理如圖4 所示，其中A 為電流傳感器，采集電感電流Ifb，V 為電壓傳感器，采集輸出電壓為Vfb，電壓控制信號(hào)為Vref?？刂扑惴ㄊ窃贒SP、ARM 或FPGA 等控制芯片中實(shí)現(xiàn)。PWM 生成器生產(chǎn)PWM 波形控制Boost電路中的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)Boost電流升壓功能。

圖4 數(shù)字Boost變換器控制原理

整個(gè)控制策略是在ADC 的中斷服務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的，這有助于峰值電流保護(hù)，控制算法簡(jiǎn)易流程如圖5所示，具體流程如下。

圖5 控制算法流程

S1：電壓環(huán)PI 調(diào)節(jié)，將電壓控制信號(hào)Vref與輸出電壓采集值Vfb的差值作為PI調(diào)節(jié)器輸入，輸出峰值電流控制信號(hào)Iref。

S2：ADC 觸發(fā)采集電感峰值電流Ifb，ADC 的觸發(fā)采集可由PWM 事件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，由于PWM 占空比不定，ADC 的觸發(fā)時(shí)刻每次不盡相同，這個(gè)需要步驟S4 和S5來(lái)實(shí)現(xiàn)。

S3：電流環(huán)PI 調(diào)節(jié)，將控制信號(hào)Iref與電流采集值Ifb的差值作為PI 調(diào)節(jié)器輸入，輸出出下一個(gè)周期的PWM占空比。

S4：將S3 計(jì)算的占空比轉(zhuǎn)換為PWM 的比較值更新到CMP 寄存器，并計(jì)算下一個(gè)PWM 周期內(nèi)電感電流峰值出現(xiàn)的時(shí)刻。

S5：通過(guò)S4計(jì)算得到的電感電流峰值出現(xiàn)時(shí)刻，設(shè)置下一個(gè)ADC觸發(fā)時(shí)刻，用于ADC采集電感的峰值電流。

2.2 仿真分析

DC∕DC 變換器的Simulink 仿真模型如圖6 所示，控制模塊包括電壓環(huán)控制和電流環(huán)控制，硬件模塊包括PWM 生 成 器、DC∕DC Boost 電 路 和ADC 觸 發(fā) 采 集 電路[11-12]。仿真詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖6 Simulink仿真

表1 仿真具體參數(shù)

ADC 采集峰值電流的時(shí)序圖如圖7 所示（曲線(xiàn)1 電感電流，曲線(xiàn)2 PWM波形，曲線(xiàn)3 PWM跳變觸發(fā)沿，曲線(xiàn)4 每個(gè)峰值位置采集更新的電流），因PWM 占空比是可控的，可精確采集電感電流的峰值電流值。

圖7 Scope3示波器

圖8 所示為Scope1 示波器。電壓響應(yīng)時(shí)間為4 μs，超調(diào)量小于15%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；圖9 反映電流跟隨性好，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后占空比約為60%，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)振蕩。

圖8 Scope1示波器

圖9 Scope2示波器

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)Boost 升壓DC∕DC 變換器傳統(tǒng)模擬電路峰值電流控制存在的占空比大于50%時(shí)出現(xiàn)的固有次諧波缺陷，提出了基于數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器控制的峰值電流控制策略，取消了斜坡補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。通過(guò)使用Simulimk 仿真搭建雙環(huán)控制策略，證明了該峰值電流控制策略可實(shí)現(xiàn)峰值電流全閉環(huán)控制，結(jié)果同時(shí)證明該控制策略消除占空比大于50%時(shí)出現(xiàn)的固有次諧波缺陷。且該控制策略動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，小于4 μs，超調(diào)小于15%，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)。