黃金亮， 同向前， 黨超亮， 程 遠,2

(1. 西安理工大學自動化與信息工程學院, 陜西 西安 710048; 2. 西安工程大學電子信息學院, 陜西 西安 710048)

大功率可編程直流電流源的快速跟蹤控制

黃金亮1， 同向前1， 黨超亮1， 程 遠1,2

(1. 西安理工大學自動化與信息工程學院, 陜西 西安 710048; 2. 西安工程大學電子信息學院, 陜西 西安 710048)

大功率可編程直流電流源是一種輸出電流脈動波形、脈動幅值和脈動周期可通過編程設定的特種直流電流源。本文設計了大功率可編程直流電流源的原理電路及其參數(shù)，分析了電源的工作原理，建立了電源系統(tǒng)的數(shù)學模型。針對本電源系統(tǒng)含有典型二階振蕩環(huán)節(jié)的特點，提出一種基于等效模型的調節(jié)器設計方法；針對輸出電流單閉環(huán)控制快速性與穩(wěn)定性矛盾突出的問題，提出引入濾波電感電流作為內環(huán)的新型雙閉環(huán)控制模式。開發(fā)了基于上位機遠程編程控制的22kW雙路直流電流源樣機，在不同脈動波形、幅值和周期下的實驗結果表明，本文提出的電流雙閉環(huán)控制策略具有更短的調節(jié)時間和更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

可編程直流電流源； 電流雙閉環(huán)控制； 脈動電流； 二階振蕩環(huán)節(jié)

1 引言

在航空設備研究中，常需要掌握空氣氣流溫度的變化對設備性能的影響，可編程直流電流源就是一種按照一定規(guī)律對空氣溫度進行加熱的專用電源設備。按照電源調整方式，直流電源分為線性電源和開關電源兩種。開關電源以其功耗低、輕型化、穩(wěn)壓穩(wěn)流范圍寬且電路形式靈活多樣等優(yōu)點，業(yè)已成為大功率電源的首選，在電力系統(tǒng)、軍事裝備、儀器儀表與通訊設備等領域獲得了廣泛應用[1-3]。

PWM控制是開關電源的主要控制方式，通過調節(jié)開關器件的導通占空比可以方便實現(xiàn)輸出電壓或電流的精細調整[4-7]。文獻[8]基于滯環(huán)PWM控制設計了一種用作擾動源的可控電流源，但滯環(huán)控制存在開關頻率不固定、諧波難于濾除的缺點。文獻[9]設計了一種寬輸出范圍的LLC諧振電流源變換器，需要精確的元件參數(shù)匹配。文獻[10]設計了一種用于高飽和磁鐵測磁的可編程電源，可編程輸出所需電流波形，但其硬件系統(tǒng)復雜，且未對控制系統(tǒng)設計進行介紹。

本文設計了一種兩路獨立輸出的可編程直流電流源，其輸出電流的幅值和脈動形狀可以按照設定參數(shù)連續(xù)調節(jié)。本電源采用整流與直流調制兩級結構，并在輸出電流外環(huán)的基礎上引入濾波電感電流作為內環(huán)，形成一種雙電流環(huán)控制策略，提高了輸出電流的跟蹤控制速度和平穩(wěn)性，樣機實驗驗證了電路拓撲及其控制策略的正確有效性。

2 系統(tǒng)設計

根據(jù)大功率可編程直流電流源系統(tǒng)的設計要求，電源系統(tǒng)主要由可編程電源主體和上位機監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，電源輸出電流的波形和參數(shù)由上位機設定，同時上位機實現(xiàn)電源輸出電流的實時監(jiān)測。輸出電流由直流和交流兩部分構成，直流部分的幅值連續(xù)可調；交流部分的幅值不超過直流部分，波形形狀可選為正弦波、三角波和方波，頻率和幅值連續(xù)可調。

2.1 系統(tǒng)結構與工作原理

圖1為直流電源系統(tǒng)的結構框圖。網側采用三繞組變壓器構成12脈波整流，有利于減小電網諧波[11]。電網電壓經過降壓、二極管整流和電容濾波后變?yōu)榉€(wěn)定直流電，作為后級斬波電路的直流輸入，斬波控制電路通過串口通信接收來自上位機的電流參考信號，經過電流反饋控制和PWM調制輸出期望的脈動直流電流波形。

圖1 電流源主電路結構Fig.1 Main circuit scheme of current source

2.2 參數(shù)設計

2.2.1 變壓器

為減小網側諧波，變壓器繞組采用Δ/Δ/Y接線[12]。根據(jù)要求，直流電源的最高輸出電壓為60V，考慮到功率開關管約2V的壓降和最大占空比為0.9，則可求得BUCK電路的最小直流輸入電壓為69V。

考慮到電網電壓±10%的波動，按照三相二極管橋式整流電路的輸入輸出電壓關系，則變壓器二次側線電壓有效值應取56V。因此，變壓器額定電壓比為380V/56V/56V。

2.2.2 濾波器

直流電壓經斬波控制后通過LC濾波電路濾波。根據(jù)負載要求，直流電流的脈動頻率為0.01～30Hz，取變換器開關頻率fs為5kHz，則可保證在30Hz下每個脈動周期有不少于160個點的平滑波形。根據(jù)純阻性負載、額定工作電流IN=220A、單路功率11kW的條件，可得負載等效電阻R=0.23Ω。

為提高工作效率，本BUCK變換器工作在連續(xù)導通模式(CCM)下，為此要求輸出濾波電感(圖1中L1和L2)滿足下式要求[13]：

(1)

式中，D為開關占空比。在開關頻率fs=5kHz、典型占空比D=0.5、負載電阻R=0.23Ω的情況下，計算可得電感應不小于0.012mH，實際系統(tǒng)中選取0.1mH/220A電抗器。

為了限制輸出電壓的脈動峰峰值，輸出濾波電容(圖1中C3和C4)應滿足[13]:

(2)

式中，σ為輸出電壓允許紋波系數(shù)(在純電阻負載下也為輸出電流的紋波系數(shù))。在典型占空比D=0.5、紋波系數(shù)σ=2%的情況下，計算可得最小電容為1250μF，實際系統(tǒng)選取1500μF/250V電容器。

3 系統(tǒng)建模

由實際系統(tǒng)簡化可得系統(tǒng)控制結構框圖，如圖2所示。系統(tǒng)由BUCK變換器③、控制器②和包含輸出濾波器在內的被控對象①三部分組成，其中，R=0.23Ω，L=0.1mH，C=1500μF。

圖2 系統(tǒng)控制結構框圖Fig.2 Block diagram of control system

根據(jù)線性系統(tǒng)理論，可得被控對象①的傳遞函數(shù)為：

(3)

將實際系統(tǒng)參數(shù)帶入式(3)，可知被控對象的二階傳遞函數(shù)為：

顯然這是一個具有一對共軛復根的二階振蕩環(huán)節(jié)，即

式中，a=-1450；b=2136；K=2.9×107。在簡化分析中，上述二階振蕩環(huán)節(jié)可等效為如下雙慣性環(huán)節(jié)：

圖3給出了簡化前后的傳遞函數(shù)伯德圖?？梢钥闯?，上述等效在ω=2582rad/s附近有一定誤差，且幅值誤差在該點最大、但相位相同。因此，在設計調節(jié)器時對式(3)所示被控對象做等效處理，不會對系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性產生明顯影響。

圖3 二階振蕩環(huán)節(jié)等效前后伯德圖對比Fig.3 Bode diagram comparision of second order oscillation element before and after eqivalence

對于控制器部分②，本系統(tǒng)采用PI調節(jié)規(guī)律[14]，其傳遞函數(shù)為：

(4)

BUCK變換器③雖為系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)，根據(jù)采樣控制理論中的面積等效原理：沖量相等而面積不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果基本相同，變換器可以等效為一個受控電壓源[15]，其傳遞函數(shù)為：

(5)

式中，D(s)為數(shù)字控制器輸出的占空比。

4 控制模式與參數(shù)設計

4.1 單電流環(huán)控制模式

按照傳統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)的設計方法，可編程電源可以采用輸出電流反饋的單閉環(huán)控制系統(tǒng)結構，如圖4所示。

圖4 單電流環(huán)控制模式框圖Fig.4 Block diagram of single current-loop control mode

根據(jù)控制框圖，不難寫出單電流環(huán)控制模式下系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(6)

取τi=1/2582，則可將式(6)系統(tǒng)等效化為典型Ⅰ型系統(tǒng)，根據(jù)工程最佳設計方法，計算可得Kp=0.002。將實際參數(shù)代入式(6)，可得單電流環(huán)控制模式下系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖5給出了整定后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性曲線。可以看出，單電流環(huán)控制模式下，由于系統(tǒng)特征頻率的限制，系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性矛盾突出。

圖5 單電流環(huán)控制模式開環(huán)伯德圖Fig.5 Open-loop Bode diagram of single current-loop control mode

4.2 雙電流環(huán)控制模式

針對單電流環(huán)控制無法解決系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性之間矛盾的問題，本文提出采用雙電流環(huán)控制模式，即引入濾波電感電流反饋作為控制內環(huán)、輸出電流作為控制外環(huán)的雙閉環(huán)控制模式。雙電流環(huán)控制模式下系統(tǒng)控制框圖如圖6所示。

圖6 雙電流環(huán)控制模式框圖Fig.6 Block diagram of dual current-loop control mode

4.2.1 電流內環(huán)調節(jié)器設計

由圖6可得，雙電流環(huán)控制模式下電感電流內環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(7)

與式(6)對比可以看出，雙電流環(huán)控制模式在ω=1/(RC)處多了一個零點，拓寬了系統(tǒng)帶寬，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。代入實際參數(shù)可得：

(8)

同樣地，根據(jù)二階振蕩環(huán)節(jié)的等效模型，可將式(8)等效為：

根據(jù)零極點對消原則，取τi2=1/2582；取內環(huán)開環(huán)截止角頻率ωc2=ωs/5(ωs為開關角頻率)，則可得Kp2=0.007。將上述參數(shù)代入式(8)，可得電流內環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖7為內環(huán)整定后的幅頻和相頻特性曲線。可以看出，電流內環(huán)的穿越頻率為6240rad/s，相角裕度為71°，穩(wěn)定性較好。

圖7 電流內環(huán)開環(huán)伯德圖Fig.7 Open-loop Bode diagram of inner current loop

內環(huán)PI參數(shù)整定后，電流內環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

利用等效模型，簡化后可得：

4.2.2 電流外環(huán)調節(jié)器設計

根據(jù)圖6，可寫出電流外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(9)

根據(jù)去大慣性環(huán)節(jié)原則，取1/τi1=3584；取電流外環(huán)截止頻率ωc1=ωs/10，則可求出Kp1=0.9。將上述PI參數(shù)帶入式(9)可得：

(10)

圖8為外環(huán)的幅頻和相頻特性曲線，比較圖5與圖8可以看出，雙電流環(huán)控制模式相對于單電流環(huán)，低頻段增益增大，因此跟蹤精度更高；系統(tǒng)截止頻率增大，響應速度更快；穩(wěn)定裕度增大，穩(wěn)定性增強。

圖8 電流外環(huán)開環(huán)伯德圖Fig.8 Open-loop Bode diagram of outside current loop

5 實驗結果分析

本文開發(fā)了雙路11kW的特種可編程直流電流源裝置，功率管選用英飛凌FF450R06ME3型IGBT，數(shù)字控制器采用TI公司TMS320F28335DSP，IGBT開關頻率5kHz，輸出濾波電感0.1mH，輸出濾波電容1500μF，負載電阻0.23Ω。

圖9給出了在平均電流100A、調制電流25A、調制頻率10Hz、脈動波形為方波的條件下分別采用電流單閉環(huán)與雙閉環(huán)控制時的輸出電流波形。可以看出，采用雙電流環(huán)控制模式時，輸出電流調節(jié)時間明顯縮短，振蕩顯著減小。

圖9 不同控制模式下輸出電流波形的比較Fig.9 Current output comparision of different control modes

圖10給出了在平均電流100A、調制電流25A、調制頻率10Hz的條件下采用雙閉環(huán)控制時的輸出電流波形?？梢钥闯?，輸出電流可以根據(jù)需要輸出方波、三角波和正弦波等不同脈動波形的電流，滿足生產工藝對電源的要求。

圖10 雙閉環(huán)控制模式下的輸出電流波形Fig.10 Output current of dual loop control mode

6 結論

針對可編程電流源的特殊要求，提出了大功率可編程直流電流源的實現(xiàn)電路、參數(shù)設計方法和電流雙閉環(huán)控制策略，建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型，給出了調節(jié)器整定方法和試驗結果?？梢缘贸鋈缦陆Y論：①按照二階振蕩環(huán)節(jié)等效處理模型進行調節(jié)器參數(shù)設計是有效的；②與單一輸出電流閉環(huán)控制策略相比，引入電感電流反饋構成雙電流閉環(huán)控制具有更短的調節(jié)時間和更高的穩(wěn)定性；③本文所設計的可編程電流源可以輸出幅值、頻率和波形可編程調節(jié)的電流波形。

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Rapid tracking control of programmable high power DC current source

HUANG Jin-liang1， TONG Xiang-qian1， DANG Chao-liang1， CHENG Yuan1,2

(1. School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;2. College of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

Programmable high power DC current source is such a special source that the ripple waveform, ripple amplitude and period of its output current can be remotely adjusted. The source circuit and its parameter design method were given, the operating principle of the DC current source was analyzed, and the mathematical model was developed. An equivalent model based regulator design method was proposed for a controlled object with a typical second order oscillation element. In order to solve the contradiction between rapidity and stability in the single current-loop control mode, a new double current-loop control mode with an inner loop of filter inductor current control was presented. A prototype of the 22kW remote-programmable DC current source with dual outputs was developed, and the experiment results under various output currents with different waveform, different amplitude and different period show that the source with the presented double current-loop control strategy is of faster response and higher stability.

programmable DC current source; double current-loop control; ripple current; second order oscillation element

2015-07-06

陜西省重點學科建設專項基金資助項目(5X1301)

黃金亮(1992-)， 男， 山西籍， 碩士研究生， 研究方向為電力電子裝置的優(yōu)化設計； 同向前(1961-)， 男， 陜西籍， 教授， 博導， 博士， 研究方向為電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用。

TM315

A

1003-3076(2016)04-0012-05