摘要：針對大功率Bi Buck-Boost直流變換裝置進行了研究，采用工程設(shè)計法設(shè)計了基于電流模式閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)器。搭建了試驗樣機，并以TMS320F28335為核心控制單元設(shè)計了控制電路。為便于實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器，推導(dǎo)了兩個具有高階形式調(diào)節(jié)器的增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。通過仿真程序和試驗樣機分別對雙向直流變換裝置的輸出特性進行了驗證。仿真和試驗結(jié)果一致且符合設(shè)計要求，驗證了設(shè)計方法和參數(shù)是合理有效的。
關(guān)鍵詞：變換器；工程設(shè)計法；數(shù)字控制

1 引言
    雙向直流變換器主要應(yīng)用在小功率場合，由于其電流雙向的特點，所以在如船舶電力推進等存在再生制動的大功率推進場合也有廣泛的應(yīng)用前景。通常，電力變換裝置控制系統(tǒng)是基于小信號模型的動態(tài)校正來完成調(diào)節(jié)器的設(shè)計工作，設(shè)計過程復(fù)雜。此處將調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計法引入到雙向直流變換裝置調(diào)節(jié)器的設(shè)計中，可簡化閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計過程。同時，電力變換裝置的調(diào)節(jié)器往往是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非PID形式。為便于數(shù)字調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)，針對所設(shè)計的兩種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器的增量式算法進行了推導(dǎo)。構(gòu)建以TMS320F28335為核心控制單元的直流變換裝置，并進行了系統(tǒng)設(shè)計的仿真與樣機試驗。

2 電路拓撲及調(diào)節(jié)器參數(shù)計
2．1 Bi Buck-Boost變換器電路拓撲
    通過在單向Buck直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管可構(gòu)成BiBuck-Boost直流變換裝置，其構(gòu)成如圖1所示。VS2工作，VS1截止工作在降壓模式；VS1工作，VS2截止工作在升壓模式。兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號可采用帶有死區(qū)時間的互補PWM信號。

2．2 主拓撲參數(shù)的選擇
    針對功率為80 kW，電壓為1 000 V／800 V的Bi Buck-Boost變換器進行研究。考慮到實際應(yīng)用中可選IGBT的開關(guān)頻率情況，選定開關(guān)頻率為1 kHz。根據(jù)文獻，電路工作在CCM狀態(tài)，儲能電感計算式為：
   
    式中：Iom為最小平均電流；Ui為輸入側(cè)直流電壓；Uo為輸出側(cè)直流電壓；f為IGBT開關(guān)頻率。
    所需濾波電容的設(shè)計值為：
   
    式中：△Uo為紋波峰峰值。
    結(jié)合本系統(tǒng)，確定儲能電感為5 mH，濾波電容為250μF。
2．3 閉環(huán)形式及調(diào)節(jié)器工程設(shè)計
    閉環(huán)控制采用具有快速暫態(tài)響應(yīng)的電流控制模式。電流模式控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用工程設(shè)計法進行了調(diào)節(jié)器的設(shè)計。

    圖中，N為擾動。PWM脈沖觸發(fā)和變換裝置是一個純滯后環(huán)節(jié)，設(shè)計中可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：
   
    負載為R的電容端輸出電壓與電感電流間的傳遞函數(shù)為：
   
    文獻基于最佳整定設(shè)計思想歸納出調(diào)節(jié)器的一種工程設(shè)計方法，簡稱工程設(shè)計法。此處將該設(shè)計思想應(yīng)用到電力變換裝置閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器的設(shè)計中。電流環(huán)被控對象為：
   
    考慮到電流環(huán)的主要作用是為了提高調(diào)節(jié)過程的跟隨性能和電流限幅的作用，設(shè)計中經(jīng)過將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，采用工程設(shè)計法設(shè)計成二階最佳系統(tǒng)，獲得調(diào)節(jié)器為：
   
    電流環(huán)截止頻率ωci=300 Hz。驗證電力變換裝置近似處理條件，滿足要求。
    電流環(huán)為一個二階系統(tǒng)，通過忽略高次項的近似處理將電流環(huán)簡化為一階慣性環(huán)節(jié)。則電壓環(huán)被控對象為：
   
    考慮到電壓環(huán)對穩(wěn)態(tài)性能和抗擾性能的要求，將電壓環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，采用工程設(shè)計法取中頻寬h=5，確定電壓環(huán)調(diào)節(jié)器為：
   
    電壓環(huán)截止頻率ωun=180 Hz。驗證忽略高次項的近似處理條件，滿足要求。

3 數(shù)字調(diào)節(jié)器的增量式算法
    由于所研究系統(tǒng)為基于DSP芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)，所以需推導(dǎo)出適合離散化的數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。系統(tǒng)采用增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。
    根據(jù)式(6)，電流調(diào)節(jié)器的一般形式為：

    式(15)即為電壓調(diào)節(jié)器增量式控制算法的增量部分。對比工程設(shè)計的結(jié)果，將參數(shù)代入即可獲得便于DSP實現(xiàn)的增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器。

4 Bi Buck-Boost直流變換仿真與試驗
4．1 仿真結(jié)果分析
    在Matlab／Simulink仿真軟件環(huán)境下構(gòu)建仿真程序。仿真參數(shù)為：功率80 kW，輸入直流側(cè)通過三相交流整流獲得，輸出直流側(cè)電壓要求為(800±16)V，負載為電阻性負載。控制模式采用電流模式，VS1與VS2采用互補PWM觸發(fā)，頻率為1 kHz，設(shè)置死區(qū)時間為2μs。負載電阻8 Ω時啟動電源模塊，穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)電阻于0．5 s時突降50％額定負載，于1 s時再突加50％的額定負載，其仿真波形如圖3所示。

    由圖3所示仿真曲線可知，所設(shè)計系統(tǒng)具有良好的耐壓特性，超調(diào)小于3％，上升時間0．1 s；對出現(xiàn)的突加減負載擾動具有良好的抑制作用，暫態(tài)電壓恢復(fù)時間小于0．2 s。同時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能也較好，電壓紋波系數(shù)小于2％；儲能電感和濾波電容的電流波動小。
4．2 試驗結(jié)果分析
    突加、減50％額定負載的試驗曲線如圖4所示，其中iL為負載電流。

    試驗采用具有反并聯(lián)二極管的IGBT半橋器件構(gòu)成的功率為80 kW試驗樣機。控制芯片采用TMS320F28335，該處理器處理能力和處理速度有
明顯提高，有利于復(fù)雜形式調(diào)節(jié)器的應(yīng)用；驅(qū)動采用2SD315AI-33驅(qū)動板，試驗電路輸入、輸出電容采用500μF／1 500 V的電解電容。測試儀器為DL750示波記錄儀?？梢姡囼灢ㄐ闻c仿真波形基本一致，驗證了參數(shù)設(shè)計和仿真方法的正確性，同時也驗證了所設(shè)計的非PID增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法的正確性。

5 結(jié)論
    通過對Bi Buck-Boost直流變換裝置的設(shè)計及仿真、試驗研究，獲得以下結(jié)論：首先，采用了工程設(shè)計法設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)簡單快捷，便于工程實踐；其次，通過對一般傳函結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器增量式算法的推導(dǎo)，實現(xiàn)了非PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化實現(xiàn)。仿真和試驗結(jié)果均具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，為大功率雙向DC／DC變換裝置的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。