姜 靜,潘琳琳,李宏達(dá),尹 伯

(1.沈陽理工大學(xué) a.自動化與電氣工程學(xué)院;b.裝備工程學(xué)院, 沈陽 110159；2.清華大學(xué) 機(jī)械系,北京 100084)

恒流充電電源控制策略的研究

姜 靜1a,潘琳琳1a,李宏達(dá)1b,2,尹 伯1a

(1.沈陽理工大學(xué) a.自動化與電氣工程學(xué)院;b.裝備工程學(xué)院, 沈陽 110159；2.清華大學(xué) 機(jī)械系,北京 100084)

研制出一套高壓恒流充電電源，該電源具有體積小，成本低等優(yōu)點。設(shè)計指標(biāo)是平均充電電流為0.34A，充電電壓為60kV，功率為20kW。利用Pspice仿真軟件對原系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，針對原系統(tǒng)平均充電電流難以保持穩(wěn)定、影響系統(tǒng)輸出性能的缺點，提出模糊PI充電控制策略，使得電流穩(wěn)定輸出在0.34A，達(dá)到穩(wěn)定時間為15ms，超調(diào)量為3%。最后，通過實驗驗證可得，加入模糊PI充電控制方法的仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，符合實際系統(tǒng)要求。

恒流充電電源；控制策略；模糊PI

高功率脈沖技術(shù)是將長時間內(nèi)儲存的能量，以電能的形式經(jīng)過快速壓縮、轉(zhuǎn)換成單脈沖或重復(fù)頻率短脈沖，并有效地釋放給負(fù)載[1-5]，主要應(yīng)用于污水處理、結(jié)石破碎、混凝土破碎等方面[6-9]。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，基于Marx發(fā)生器高壓脈沖破巖技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點之一，高壓脈沖放電破巖裝置主要由充電電源、觸發(fā)電源、Marx發(fā)生器、輸出電極等部分組成[10-12]。本文主要研究高壓電容器充電電源，針對高壓脈沖電容器充電電源充電電流超調(diào)大、充電精度低、穩(wěn)定性差等問題，提出可靠的充電控制策略，有效的提高了電源充電精度、穩(wěn)定性以及充電效率。

1 恒流充電電源原理分析

高壓恒流充電電源的主電路采用串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其實物圖及主體結(jié)構(gòu)圖分別如圖1、圖2所示，電源主要由低壓部分和高壓兩部分組成。其中低壓部分包括逆變器電路、保護(hù)電路、驅(qū)動電路等；高壓部分包括高壓變壓器、高壓電容和整流器等。恒流充電電源充電的工作原理是輸入三相交流電壓經(jīng)過斷路器開關(guān)輸出到濾波整流電路中，再經(jīng)過濾波器濾去干擾信號和整流器整流后提供較為穩(wěn)定的直流電壓輸入到全橋逆變電路中，全橋逆變電路輸出電壓經(jīng)過高壓變壓器升壓后輸出，而此時電流值依然保持恒定，輸出的電流值經(jīng)過測試后，再經(jīng)過光電耦合器輸入到控制電路中，控制電路得到的電流值與系統(tǒng)的給定電流值相比較，利用PWM控制器調(diào)節(jié)占空比的方法來調(diào)節(jié)電流，從而達(dá)到恒流充電目的。

圖1 高壓恒流充電電源實物圖

2 恒流充電電源系統(tǒng)仿真

利用Pspice仿真軟件對全橋串聯(lián)諧振充電電路進(jìn)行建模仿真，圖3為系統(tǒng)整體電路仿真模型圖。Lr為串聯(lián)諧振電感；Cr為串聯(lián)諧振電容；C為充電電容即為等效負(fù)載；Uin為輸入直流電源；設(shè)開關(guān)頻率fs為20kHz；由于該電源處于斷續(xù)電流工作模式，取諧振頻率fr為42kHz。利用式(1)和式(2)計算可得[13]:諧振電感為296.44μH；諧振電容為0.066μF；負(fù)載電容為1.2mF。

圖2 高壓開恒流充電電源主體結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)整體仿真電路模型

(1)

(2)

其中諧振電流、單個周期諧振電流、充電電流及充電電壓波形圖分別如圖4～圖7所示。

圖4 諧振電流波形

從圖4～圖7可以看出諧振電流在t=250ms 處達(dá)到了極大值，且整體具有良好的線性度，使得充電電流的平均值恒定；從圖5中可以看出單個諧振周期的電流波形，證明了串聯(lián)諧振恒流充電電路工作在電流斷續(xù)模式下；從圖6中可以看出充電電流在經(jīng)過50ms的暫態(tài)過程后暫時穩(wěn)定在340mA，且工作一段時間后充電電流的穩(wěn)態(tài)值略小于指令值，這主要是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、控制存在"不及時性"；從圖7中可以看出負(fù)載電容上的電壓基本呈線性上升，但震蕩較大。

圖5 單個諧振周期諧振電流波形

圖6 充電電流平均值波形

圖7 負(fù)載充電電壓波形

3 模糊PI充電控制方法的設(shè)計

根據(jù)高壓恒流充電電源系統(tǒng)仿真可知，充電電流平均值能夠暫時穩(wěn)定在340mA，但是系統(tǒng)開始運行時會產(chǎn)生振蕩，直接影響系統(tǒng)的輸出性能、開關(guān)器件的壽命、并增加了系統(tǒng)運行成本，針對原系統(tǒng)的缺點，通過理論分析提出了模糊PI充電控制策略。

3.1 PI模糊控制器工作原理

模糊PI控制系統(tǒng)的整體框圖如圖8所示。在PI模糊控制系統(tǒng)中，設(shè)計的關(guān)鍵是PI模糊控制器，主要包括模糊化、模糊推理、解模糊化。

圖8 模糊PI控制系統(tǒng)框圖

本文選取三角形隸屬度函數(shù)，設(shè)輸出電流設(shè)定值與檢測值之間的差值為e，差值變化率為ec，輸出控制量為U。其中輸出電流誤差e、誤差變化率ec以及輸出量U的基本論域為-5%～5%，則量化論域為[-5,5]，將模糊集合劃分為NB，NS，ZO，PS，PB。其中，NB為負(fù)大，NS為負(fù)小，ZO為零，PS為正小，PB為正大。

根據(jù)高壓恒流充電電源的特性以及控制經(jīng)驗，建立模糊規(guī)則應(yīng)遵循如下要求：

(1)考慮輸出電流誤差e<0的情況，當(dāng)e值為負(fù)大時，若誤差變化率ec值也為負(fù)時，這時誤差e值有增大的趨勢，為了消除并抑制誤差e值變大，因此取輸出控制量U為正大。

(2)當(dāng)輸出電流誤差e<0而誤差變化ec>0時，系統(tǒng)本身具有減少誤差的趨勢，因此為了盡快消除誤差而又不超調(diào)，應(yīng)取輸出控制量U較小值。

(3)當(dāng)輸出電流誤差e值為負(fù)小時，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差變化ec<0時，控制量U的變化應(yīng)取正值，從而抑制誤差往負(fù)方向變化；若誤差變化ec>0時，系統(tǒng)本身具有消除負(fù)小誤差的趨勢，因此選取輸出控制量U為正小。

根據(jù)恒流充電電源輸出電流誤差以及誤差變化率的關(guān)聯(lián)性，以及兩者對電源系統(tǒng)本身的影響程度，同時結(jié)合實驗，本文所用的模糊PI控制規(guī)則如表1所示。

由模糊規(guī)則推理結(jié)果能夠獲得輸出模糊集合，但是控制每一個輸出量均要求為精確值，所以必須在輸出模糊集中解出一個最能代表模糊集的清晰點，以上是解模糊化部分的主要任務(wù)。解模糊化原則是要用小的計算量，目的是為了在應(yīng)用中實時控制，算法主要包括TSK法、中心平均法，最大值法以及重心法。其中重心法與其他方法相比，具有更平滑的輸出推理控制，即輸出信號會隨著輸入信號的微弱變化而變化，所以本文采用重心法對模糊PI控制方法的輸出量進(jìn)行判決，針對U論域中的每一個元素，都存在如表1所示的規(guī)則表。

表1 模糊控制規(guī)則表

當(dāng)U中有m個輸出量化技術(shù)的離散域情況，則：

(3)

式中:xk∈[-5,5]中的元素;μk(xk)是xk隸屬度函數(shù)值;KU是指與模糊控制規(guī)則所對應(yīng)的控制充電控制器輸出量U的參數(shù)值。

3.2 模糊PI控制方法仿真分析

本文設(shè)計的恒流充電電源模糊PI充電控制方法結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。模糊控制器和PI控制器采用串聯(lián)方式，其控制本質(zhì)是采用模糊控制技術(shù)產(chǎn)生變化的PI充電控制器參數(shù)Kp和KI，有效的提高恒流充電電源輸出電流控制精度。

圖9 模糊PI充電控制方法結(jié)構(gòu)圖

由系統(tǒng)整體仿真電路圖3可知：在所有元件為理想狀態(tài)下，諧振電感、諧振電容及負(fù)載電容(這里設(shè)負(fù)載電容為R)組成LC振蕩電路，用動態(tài)方程進(jìn)行描述，并求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

(4)

根據(jù)模糊PI控制方法結(jié)構(gòu)圖以及實際電路原理圖，在MatlabSimulink環(huán)境下搭建仿真模型如圖10所示，根據(jù)系統(tǒng)性能及經(jīng)驗值可選取e為1，ec為0.4。利用模糊PI仿真模型，仿真出平均充電電流波形如圖11、圖12所示，在圖11中，開關(guān)頻率為18kHz，在啟動時，充電電流的超調(diào)量為16.7%，經(jīng)過20ms后電流值穩(wěn)定在300mA；在圖12中，開關(guān)頻率為20kHz，在啟動時充電電流超調(diào)為3%，經(jīng)過15ms后電流值穩(wěn)定在340mA；將兩圖進(jìn)行對比之后發(fā)現(xiàn)，開關(guān)頻率為20kHz的充電電流仿真波形，超調(diào)量較小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間較短，充電效率高，具有好的恒流特性，驗證了開關(guān)頻率選取的正確性。綜上可得，加入模糊PI控制方法的系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性，能夠達(dá)到線性充電目的，符合實際應(yīng)用系統(tǒng)要求。

4 高壓電容充電實驗

為了驗證恒流充電電源對高壓電容充電的可行性，對高壓電容進(jìn)行充電實驗。搭建實驗平臺示意圖和部分實物圖分別如圖13、圖14所示。實驗平臺主要由恒流充電電源、高壓電容、高壓電纜、分壓器和示波器等器件組成。其中高壓電容器耐壓值為100kV，電容量為0.12μF；分壓器分壓比為1∶100000，衰減比為1∶0.5，示波器采用Tektronicx DPO4104B，將電容兩端與高壓恒流充電電源正負(fù)極相連接，啟動開關(guān)后，高壓恒流充電電源向電容充電，充電一段時間后，測量可得電容上的電流與電壓波形分別如圖15、16所示。從圖15可知充電電流沒有衰減，充電時間為15ms，電流值穩(wěn)定在0.34A，與圖12的仿真結(jié)果基本一致，符合實際系統(tǒng)要求；從圖16中可知電壓線性充電至60kV，驗證了充電的恒流特性。高壓電容充電實驗驗證了仿真結(jié)果的可行性，證明了充電電源具有良好的線性充電性能，能夠滿足實際系統(tǒng)要求。

圖10 模糊PI仿真模型圖

圖11 平均充電電流仿真結(jié)果(開關(guān)頻率為18kHz)

圖12 平均充電電流仿真結(jié)果(開關(guān)頻率為20kHz)

圖13 高壓電容充電示意圖

圖14 電容充電實驗平臺局部照片

圖15 電容平均充電電流波形圖

圖16 電容充電電壓波形圖

5 結(jié)論

本文主要針對高壓恒流充電電源控制策略進(jìn)行研究，首先對恒流充電電源的工作原理進(jìn)行分析，隨后對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)的充電電流在經(jīng)過50ms的暫態(tài)過程后暫時穩(wěn)定在340mA，且工作一段時間后充電電流平均值難以保持穩(wěn)定，原控制系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)，難以滿足其恒流特性以及系統(tǒng)整體性能要求，因此模糊PI充電控制方法由此提出。利用Matlab/Simulink仿真軟件對模糊PI充電控制方法進(jìn)行建模仿真分析得出，開關(guān)頻率為20kHz時，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且在系統(tǒng)運行過程中，充電電流超調(diào)為3%，經(jīng)過15ms后電流值穩(wěn)定在340mA。與原系統(tǒng)相比，超調(diào)量有明顯減小，系統(tǒng)發(fā)生工作狀態(tài)改變時輸出性能更少受到影響，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。最后通過高壓電容充電實驗驗證了充電電源具有良好的線性充電性能，能夠滿足實際系統(tǒng)要求。

[1] 江偉華.脈沖功率系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2] 王瑩.高功率脈沖電源[M].北京:原子能出版社,1999.

[3] Bluhm H,W Frey,H Giese,et al.Application of pulsed HV discharges to material fragmentation and recycling[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2000,7(5):625-636.

[4] Yan F Z,Lin B Q,Zhu C J,et al.Using high voltage electrical pulses to crush coal in an air environmentan experiment study[J].Power Technology,2016(298):50-56.

[5] 王勝.串聯(lián)諧振式高壓電容器充電電源研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[6] Gao Y H,Sun Y H,Yan P.40kW high power density digital control charging power supply[J].High voltage technology,2009,21(8):1259-1262.

[7] S Aparna,N Kasirathi.Series parallel resonant converter for electrical dsicgarge machining power supply[A].2011 1st International Conference on Electrical Energy Systems[C].2011:28-33.

[8] 譚親躍,林福昌,王少榮,等.串聯(lián)諧振式高壓電容器充電電源效率特性研究[J].高壓電器,2015,27(9):78-83.

[9] W C So,C K Tse,Y S Lee.Development of a fuzzy logic controller for DC/DC converters:design,computer simulation,and experimental evaluation[J].IEEE Trans Power Electron,2006,11(1):24-32.

[10]Y Lu,K W E Cheng,S L Ho.Quasi current mode control for the phase-shifted series resonant converter[J].IEEE Trans.Power Electronics,2008(23):353-358.

[11]Lin L,Zhong H Q,Deng Y,et al.Analysis,Design and Implementation of Phase-Shifted Series Resonant High-Voltage Capacitor Charging Power Supply and Its Fuzzy Logic Controller[C]//IEEE Transactions on Power Electronics,2014:884-891.

[12]羅延芳.基于LCC串并聯(lián)諧振充電的高壓脈沖電源設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué),2010.

[13]莊書琴.大功率脈沖激光電源充電變換器的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2013.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

ResearchonControlStrategyofConstantCurrentChargingPowerSupply

JIANG Jing1,PAN Linlin1,LI Hongda1,2,YIN Bo1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China; 2.Tsinghua University,Beijing 100084,China)

High voltage constant current charging power supply is developed,with some advantages of small volume,low cost,etc.Its design index is that the average charging current is 0.34A,the charging voltage is 60kV,the power is 20kW.Simulation analysis of the original system is used by Pspice simulation software,in the light of the average charging current of original system is difficult to maintain stability and disadvantages of affecting the output performance.Fuzzy PI charging control strategy is proposed and the output current stably is 0.34A,the stable time is 15ms,the overshoot is 3%.Finally,experimental results verify the stability of the simulation system is improved by adding the fuzzy PI charge control method,and the system can meet the requirements of the actual system.

constant current charging power supply;control strategy;fuzzy PI

TP391

A

2016-12-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(51207096);爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室(北京理工)開放基金(KFJJ13-6M)

姜靜(1973—),女，副教授，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)的建模、優(yōu)化及仿真研究。

1003-1251(2017)05-0005-06