大功率可编程直流电流源的快速跟踪控制

黄金亮， 同向前， 党超亮， 程 远,2

(1. 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048; 2. 西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安 710048)

大功率可编程直流电流源的快速跟踪控制

黄金亮1， 同向前1， 党超亮1， 程 远1,2

(1. 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048; 2. 西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安 710048)

大功率可编程直流电流源是一种输出电流脉动波形、脉动幅值和脉动周期可通过编程设定的特种直流电流源。本文设计了大功率可编程直流电流源的原理电路及其参数，分析了电源的工作原理，建立了电源系统的数学模型。针对本电源系统含有典型二阶振荡环节的特点，提出一种基于等效模型的调节器设计方法；针对输出电流单闭环控制快速性与稳定性矛盾突出的问题，提出引入滤波电感电流作为内环的新型双闭环控制模式。开发了基于上位机远程编程控制的22kW双路直流电流源样机，在不同脉动波形、幅值和周期下的实验结果表明，本文提出的电流双闭环控制策略具有更短的调节时间和更高的系统稳定性。

可编程直流电流源； 电流双闭环控制； 脉动电流； 二阶振荡环节

1 引言

在航空设备研究中，常需要掌握空气气流温度的变化对设备性能的影响，可编程直流电流源就是一种按照一定规律对空气温度进行加热的专用电源设备。按照电源调整方式，直流电源分为线性电源和开关电源两种。开关电源以其功耗低、轻型化、稳压稳流范围宽且电路形式灵活多样等优点，业已成为大功率电源的首选，在电力系统、军事装备、仪器仪表与通讯设备等领域获得了广泛应用[1-3]。

PWM控制是开关电源的主要控制方式，通过调节开关器件的导通占空比可以方便实现输出电压或电流的精细调整[4-7]。文献[8]基于滞环PWM控制设计了一种用作扰动源的可控电流源，但滞环控制存在开关频率不固定、谐波难于滤除的缺点。文献[9]设计了一种宽输出范围的LLC谐振电流源变换器，需要精确的元件参数匹配。文献[10]设计了一种用于高饱和磁铁测磁的可编程电源，可编程输出所需电流波形，但其硬件系统复杂，且未对控制系统设计进行介绍。

本文设计了一种两路独立输出的可编程直流电流源，其输出电流的幅值和脉动形状可以按照设定参数连续调节。本电源采用整流与直流调制两级结构，并在输出电流外环的基础上引入滤波电感电流作为内环，形成一种双电流环控制策略，提高了输出电流的跟踪控制速度和平稳性，样机实验验证了电路拓扑及其控制策略的正确有效性。

2 系统设计

根据大功率可编程直流电流源系统的设计要求，电源系统主要由可编程电源主体和上位机监控系统两部分组成，电源输出电流的波形和参数由上位机设定，同时上位机实现电源输出电流的实时监测。输出电流由直流和交流两部分构成，直流部分的幅值连续可调；交流部分的幅值不超过直流部分，波形形状可选为正弦波、三角波和方波，频率和幅值连续可调。

2.1 系统结构与工作原理

图1为直流电源系统的结构框图。网侧采用三绕组变压器构成12脉波整流，有利于减小电网谐波[11]。电网电压经过降压、二极管整流和电容滤波后变为稳定直流电，作为后级斩波电路的直流输入，斩波控制电路通过串口通信接收来自上位机的电流参考信号，经过电流反馈控制和PWM调制输出期望的脉动直流电流波形。

图1 电流源主电路结构Fig.1 Main circuit scheme of current source

2.2 参数设计

2.2.1 变压器

为减小网侧谐波，变压器绕组采用Δ/Δ/Y接线[12]。根据要求，直流电源的最高输出电压为60V，考虑到功率开关管约2V的压降和最大占空比为0.9，则可求得BUCK电路的最小直流输入电压为69V。

考虑到电网电压±10%的波动，按照三相二极管桥式整流电路的输入输出电压关系，则变压器二次侧线电压有效值应取56V。因此，变压器额定电压比为380V/56V/56V。

2.2.2 滤波器

直流电压经斩波控制后通过LC滤波电路滤波。根据负载要求，直流电流的脉动频率为0.01～30Hz，取变换器开关频率fs为5kHz，则可保证在30Hz下每个脉动周期有不少于160个点的平滑波形。根据纯阻性负载、额定工作电流IN=220A、单路功率11kW的条件，可得负载等效电阻R=0.23Ω。

为提高工作效率，本BUCK变换器工作在连续导通模式(CCM)下，为此要求输出滤波电感(图1中L1和L2)满足下式要求[13]：

(1)

式中，D为开关占空比。在开关频率fs=5kHz、典型占空比D=0.5、负载电阻R=0.23Ω的情况下，计算可得电感应不小于0.012mH，实际系统中选取0.1mH/220A电抗器。

为了限制输出电压的脉动峰峰值，输出滤波电容(图1中C3和C4)应满足[13]:

(2)

式中，σ为输出电压允许纹波系数(在纯电阻负载下也为输出电流的纹波系数)。在典型占空比D=0.5、纹波系数σ=2%的情况下，计算可得最小电容为1250μF，实际系统选取1500μF/250V电容器。

3 系统建模

由实际系统简化可得系统控制结构框图，如图2所示。系统由BUCK变换器③、控制器②和包含输出滤波器在内的被控对象①三部分组成，其中，R=0.23Ω，L=0.1mH，C=1500μF。

图2 系统控制结构框图Fig.2 Block diagram of control system

根据线性系统理论，可得被控对象①的传递函数为：

(3)

将实际系统参数带入式(3)，可知被控对象的二阶传递函数为：

显然这是一个具有一对共轭复根的二阶振荡环节，即

式中，a=-1450；b=2136；K=2.9×107。在简化分析中，上述二阶振荡环节可等效为如下双惯性环节：

图3给出了简化前后的传递函数伯德图。可以看出，上述等效在ω=2582rad/s附近有一定误差，且幅值误差在该点最大、但相位相同。因此，在设计调节器时对式(3)所示被控对象做等效处理，不会对系统稳定性和快速性产生明显影响。

图3 二阶振荡环节等效前后伯德图对比Fig.3 Bode diagram comparision of second order oscillation element before and after eqivalence

对于控制器部分②，本系统采用PI调节规律[14]，其传递函数为：

(4)

BUCK变换器③虽为系统中的非线性环节，根据采样控制理论中的面积等效原理：冲量相等而面积不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同，变换器可以等效为一个受控电压源[15]，其传递函数为：

(5)

式中，D(s)为数字控制器输出的占空比。

4 控制模式与参数设计

4.1 单电流环控制模式

按照传统反馈控制系统的设计方法，可编程电源可以采用输出电流反馈的单闭环控制系统结构，如图4所示。

图4 单电流环控制模式框图Fig.4 Block diagram of single current-loop control mode

根据控制框图，不难写出单电流环控制模式下系统的开环传递函数为：

(6)

取τi=1/2582，则可将式(6)系统等效化为典型Ⅰ型系统，根据工程最佳设计方法，计算可得Kp=0.002。将实际参数代入式(6)，可得单电流环控制模式下系统开环传递函数为：

图5给出了整定后系统开环传递函数的幅频和相频特性曲线。可以看出，单电流环控制模式下，由于系统特征频率的限制，系统快速性和稳定性矛盾突出。

图5 单电流环控制模式开环伯德图Fig.5 Open-loop Bode diagram of single current-loop control mode

4.2 双电流环控制模式

针对单电流环控制无法解决系统快速性与稳定性之间矛盾的问题，本文提出采用双电流环控制模式，即引入滤波电感电流反馈作为控制内环、输出电流作为控制外环的双闭环控制模式。双电流环控制模式下系统控制框图如图6所示。

图6 双电流环控制模式框图Fig.6 Block diagram of dual current-loop control mode

4.2.1 电流内环调节器设计

由图6可得，双电流环控制模式下电感电流内环的开环传递函数为：

(7)

与式(6)对比可以看出，双电流环控制模式在ω=1/(RC)处多了一个零点，拓宽了系统带宽，增强了系统稳定性。代入实际参数可得：

(8)

同样地，根据二阶振荡环节的等效模型，可将式(8)等效为：

根据零极点对消原则，取τi2=1/2582；取内环开环截止角频率ωc2=ωs/5(ωs为开关角频率)，则可得Kp2=0.007。将上述参数代入式(8)，可得电流内环开环传递函数为：

图7为内环整定后的幅频和相频特性曲线。可以看出，电流内环的穿越频率为6240rad/s，相角裕度为71°，稳定性较好。

图7 电流内环开环伯德图Fig.7 Open-loop Bode diagram of inner current loop

内环PI参数整定后，电流内环的闭环传递函数为：

利用等效模型，简化后可得：

4.2.2 电流外环调节器设计

根据图6，可写出电流外环开环传递函数为：

(9)

根据去大惯性环节原则，取1/τi1=3584；取电流外环截止频率ωc1=ωs/10，则可求出Kp1=0.9。将上述PI参数带入式(9)可得：

(10)

图8为外环的幅频和相频特性曲线，比较图5与图8可以看出，双电流环控制模式相对于单电流环，低频段增益增大，因此跟踪精度更高；系统截止频率增大，响应速度更快；稳定裕度增大，稳定性增强。

图8 电流外环开环伯德图Fig.8 Open-loop Bode diagram of outside current loop

5 实验结果分析

本文开发了双路11kW的特种可编程直流电流源装置，功率管选用英飞凌FF450R06ME3型IGBT，数字控制器采用TI公司TMS320F28335DSP，IGBT开关频率5kHz，输出滤波电感0.1mH，输出滤波电容1500μF，负载电阻0.23Ω。

图9给出了在平均电流100A、调制电流25A、调制频率10Hz、脉动波形为方波的条件下分别采用电流单闭环与双闭环控制时的输出电流波形。可以看出，采用双电流环控制模式时，输出电流调节时间明显缩短，振荡显著减小。

图9 不同控制模式下输出电流波形的比较Fig.9 Current output comparision of different control modes

图10给出了在平均电流100A、调制电流25A、调制频率10Hz的条件下采用双闭环控制时的输出电流波形。可以看出，输出电流可以根据需要输出方波、三角波和正弦波等不同脉动波形的电流，满足生产工艺对电源的要求。

图10 双闭环控制模式下的输出电流波形Fig.10 Output current of dual loop control mode

6 结论

针对可编程电流源的特殊要求，提出了大功率可编程直流电流源的实现电路、参数设计方法和电流双闭环控制策略，建立了系统的数学模型，给出了调节器整定方法和试验结果。可以得出如下结论：①按照二阶振荡环节等效处理模型进行调节器参数设计是有效的；②与单一输出电流闭环控制策略相比，引入电感电流反馈构成双电流闭环控制具有更短的调节时间和更高的稳定性；③本文所设计的可编程电流源可以输出幅值、频率和波形可编程调节的电流波形。

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(，cont.onp.55)(，cont.fromp.16)

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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

陕西省重点学科建设专项基金资助项目(5X1301)

黄金亮(1992-)， 男， 山西籍， 硕士研究生， 研究方向为电力电子装置的优化设计； 同向前(1961-)， 男， 陕西籍， 教授， 博导， 博士， 研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

TM315

A

1003-3076(2016)04-0012-05