逆变充电机控制新技术

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逆变充电机控制新技术 [复制链接]

逆变电源的控制难度与输入输出电压有很大的关系，输入或输出电压的范围越宽，PID电路的控制参数计算就越显得复杂，而在整个调节范围内出现自激的可能性也越大。本逆变充电机不仅输出电压和电流具有很大的调节范围(50～260V、0～40A)，而且还要保证在输入电压变化±15%范围内保持输出稳定。因此，控制系统的设计存在较大的难度：①在最小电压和最小电流输出时需要克服小功率间歇现象；②在脉宽由小到大的调节范围内保持控制函数收敛，克服自激和尖叫；③克服大电压脉冲对小电流控制信号造成电磁干扰。根据本人多年设计经验，采用双环控制技术和优化设计方法，能够有效地克服以上难题，达到理想的控制的效果。
一、控制系统原理设计
本电源的控制电路主要由电压调节回路、电流调节回路以及功率限制电路三部分组成，其中每部分又包含设定电路、反馈电路和PID调节电路，它们和SG3525及DC-DC变换电路共同构成逆变充电电源的闭环调节系统，从而实现对输出电压和电流精密而稳定的调节功能。
图2为逆变充电电源的控制电路图。图中Iref、Vref、Pref分别表示电流给定值、电压给定值和功率给定值，If、Vf分别表示电流反馈和电压反馈信号。电流控制回路的工作原理如下：输出电流流过取样电阻时，在取样电阻上产生电流反馈信号If，反馈信号经运算放大器N1放大后，和设定电路提供的电流给定值进行比较，其误差信号经PID补偿网络(N3)送至SG3525脉宽调制电路，和SG3525内的锯齿波信号比较，产生具有一定占空比PWM脉冲信号，由该信号去控制IGBT的导通和关断。当输出电流升高时，电流反馈信号If增大，If和Iref的差值变小，N3的输出电平降低，该电平和SG3525内的锯齿波信号比较，比较结果使PWM脉冲的占空比减小，IGBT导通时间变短，从而使输出电流也随之降低。电压控制回路和电流控制回路的工作原理基本相同。功率限制回路是为了限制充电电源的最大输出功率而设置的，电流反馈信号信号和电压反馈信号各自乘以一定的加权系数后相加，经N3放大后和功率给定值进行比较，通过控制PWM的占空比以达到限制输出功率的目的。
二、控制参数的优化
1、正激变换器的小信号模型
为了建立控制电路优化设计模型，以满足电源的瞬态性能指标，必须首先建立开关变换器的小信号等效电路模型，求出开环的传递函数 ，并建立闭环系统频域模型(方框图)。图3为正激变换器的等效小型号电路模型。
图中 、 、 分别为输入电压、输出电压、导通比的扰动量；M(D)为等效电路理想变压器变比：M(D)=1/nD(n=N2/N1)；E(s)=VO/nD2，J(s)=nVO/R；He(s)是由电感L和电容C组成的输出低通滤波器的等效传递函数，并且有He(s)=LCs2+sL/R+1。
输出电压的扰动量可表示为：
                   (2.1)
式中 ， 。
考虑输入滤波器，设其传递函数为G1(s)，可画出开关电源的方框图如图4。
图4中，Ｇ21(s)为开环传递函数 ， 为参考(给定)电压扰动量，当给定值不变时， ＝０。H１(s)为补偿网络的传递函数，1/Vm脉宽调制器(PWM)的传递函数，其中Vm为锯齿波电压幅值。
当 ＝0时，图4可等效变换为图5，其中H2(s)为等效的PWM传递函数
                   (2.2)
其中 。
误差函数
于是变换器主电路的传递函数为
                            (2.3)
                                    (2.4)
2、瞬态优化设计数学模型
本设计的优化目标是瞬态误差平方积分(即ISE指标)最小。ISE指标可以表示为：
                                                         (2.5)
式中 表示开关电源的瞬态误差。
满足ISE性能指标要求的约束条件的频域解析式为：
输入电压扰动抑制能力，用分贝数表示
，                               (2.6)
负载扰动抑制能力(闭环输出阻抗Z0，用Ω表示)
，Zo=Zoe/[1+G(s)H(s)]                                (2.7)
开环输出阻抗Zoe(s)= ，A及Zo均为向量X的函数。
图3实际上是开关电源的闭环频域模型，图中的e(s)为e(t)的拉氏变换。应用Parseval定理，可以得到频域的积分形式为
                                          (2.8)
式中J(x，s)表示频域ISE指标，与优化设计变量有关。
其中
所以                                        (2.9)
式中H1(s)为补偿网络的传递函数，根据图2的控制电路图，可知本电源的PID
该补偿网络的传递函数的解析表达式为
                                                (2.10)
式中x1=R1C1，x2=R2C2， ，
令设计向量x=(x1，x2，x3，x4)T
由2.9式可见，当G(s)及H2(s)已知， 为阶跃，则e(s)仅与H1(s)有关，即它是设计向量X的函数。
根据式2.2和式2.3可得：

本设计L=279×10-6H，C=1×10-4F，R=5.5Ω，D=0.45，Vm=15V，V0=260V，代入上式得：


  
按照式2.6和式2.7所示的优化数学模型，计算结果表1。
三、实验结果验证
在优化设计的基础上，我们完成了控制电路的设计和制作，最终于03年11月底完成充电机样机的试制，并取得了良好的测试结果。
1、在满负荷情况下测得输出波形如图7所示
输出电压纹波的峰峰值约4V左右，电压控制精度不超过±1%，电流纹波的峰峰值约1A左右，电流控制精度亦不超过±1%，完全满足其技术指标要求。
2、调试结果如下
(1)在恒压状态下，将输出电压从50V连续调节至260V，输出电压和电流连续而稳定地改变，无异常尖叫声，逆变波形及整流波形稳定、无自激和抖动现象；(2)在恒流状态下，将输出电流从0A连续调节至40A，测试结果同上。由此可验证第3节中控制回路PID参数设计的正确性和有效性。
2004年1～3月份，我厂为上级单位生产了30台该型号的充电机，各项测试数据均能满足技术指标的要求，并保持了良好的一致性。之后又任意抽取3台进行了高温、低温和颠簸试验，各项数据全部满足技术指标的要求。之后我们又抽取一台充电机到昆明750试验场对逆变进行了8次充电试验，效果十分理想，测得试验参数如表2所示。目前该批产品已全部交付用户使用。
四、结论
本设计采用双环优化控制成功地解决了充电机的控制难题。它不仅具有良好的动态性能，还具有良好的稳态性能。无论线性负载，还是非线性负载，都能很好的满足要求。

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