一种电感电流同步控制和采样DC转换器设计

潘小刚，杜吉庆

一种电感电流同步控制和采样DC转换器设计

潘小刚，杜吉庆

（国充充电科技江苏股份有限公司，江苏扬州，225127）

双向DC控制器的控制指标衡量主要包括采样和控制两个方面，本系统从电流采样角度出发，设计一种电感电流同步控制和采样转换器，在控制周期的固定位置采集数据，从而达到稳定采样的目的，且控制方式采用集中式管理分布式控制方案，可以实现多模块的并联，为后期扩展留下基础。尤其适用于DC转换器中需要对电感电流进行采样的装置，该转换器主要用来实现采样和控制同步。

电感电流；同步控制；同步采样；多模块

0 引言

DC转换器是开关电源的核心部分，因为末端电压或者电流是经过电容滤波之后的变量都存在一定的滞后性，而电感电流的变化是导致末端输出改变的主要因素，因此，如果将DC转换系统的中间电感的电流变化添加到反馈中进行控制，将会显著提高系统的响应速度。随着功率开关器件的开通和关断，电感不断充放电，电感上的电流存在上升和下降的脉动，如果控制和采集不同步会导致采集到的电流为脉动波形峰谷值中的任意一种情况，影响系统的控制精度。现有的数据采集和控制方案主要包括如下几种：单MCU（Microprogrammed Control Unit，微程序控制器）实现采集和控制。单MCU采用外部AD，进行数据采集和控制。单MCU和单FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）采集和控制。

1 系统方案

对于系统的复杂度、稳定性和响应速度要求越来越高，因此，对于数据的采集和控制的要求也越来越高。数据采集指标主要有采样精度和并行采样通道数，控制指标包括稳定性和响应速度。因此，系统采用外部AD和FPGA和MCU结合的方式进行采样和控制。

在双向DC转换器的拓扑结构电路的母线电压采样装置和负载电压采样装置之间串联母线电流采样装置、电感电流采样装置、滤波储能电感和负载电流采样装置，在母线电压采样装置和母线电流采样装置之间并联第一滤波电容，在第一滤波电容和电感电流采样装置之间设置第一BUCK拓扑电路开关IGBT1和第二BUCK拓扑电路开关IGBT2，所述第一BUCK拓扑电路开关IGBT1和第二BUCK拓扑电路开关IGBT2的一端分别与电感电流采样装置的一端连接，第一BUCK拓扑电路开关IGBT1的另一端连接在第一滤波电容和母线电流采样装置的共同端上，第二BUCK拓扑电路开关IGBT2的另一端连接第一滤波电容的另一端，在负载电压采样装置和负载电流采样装置之间并联第二滤波电容。

电感电流同步控制和采样DC转换器，主要由双向DC转换器的拓扑结构电路和控制系统组成；双向DC转换器的拓扑结构电路包括母线电压采样装置、负载电压采样装置、母线电流采样装置、电感电流采样装置、滤波储能电感、负载电流采样装置、第一滤波电容、第二滤波电容、第一BUCK拓扑电路开关IGBT1和第二BUCK拓扑电路开关IGBT2；控制系统主要由DSP芯片、AD模数转换芯片、设有双口RAM的FPGA芯片组成；DSP芯片通过单向地址总线和FPGA芯片实现逻辑识别；DSP芯片还通过双向数据总线和FPGA芯片实现数据交互；AD模数转换芯片的信号输出端通过数据总线与FPGA芯片连接；FPGA芯片通过IO引脚连接AD模数转换芯片的采样控制端；双向DC转换器的拓扑结构电路的母线电压采样装置、负载电压采样装置、母线电流采样装置、电感电流采样装置和负载电流采样装置的输出端分别连接AD模数转换芯片的输入端；FPGA芯片的输出端分别连接双向DC转换器的拓扑结构电路的第一BUCK拓扑电路开关IGBT1和第二BUCK拓扑电路开关IGBT2的控制端。

2 系统工作原理

FPGA芯片根据接收到的DSP芯片计算出的控制量信息，按照预设周期发出驱动波形，生成相应占空比的PWM波形。控制BUCK拓扑电路开关器件G1按照固定周期T=Ton+Toff发出控制波形，其中高电平周期为Ton，低电平周期为Toff。

在双向DC转换器的拓扑结构中BUCK拓扑电路开关器件G1打开期间，也就是高电平Ton期间，电感电流CL在Ton期间上升，在BUCK拓扑电路开关器件G1关断期间，也就是低电平Toff期间，电感电流CL在Toff期间下降，电感电流CL上升和下降的节点和BUCK拓扑电路开关器件G1的打开和关闭的节点完全对应。

在BUCK拓扑电路开关器件G1打开期间，也就是高电平Ton期间，在时间节点Dton=0.5Ton的时间节点，FPGA芯片发出AD采样驱动信号，锁存此时的模拟量，并按照逻辑要求发出驱动电路进行转换。FPGA芯片通过并行接口获取数据后，存储于内部虚拟双口RAM中，并与DSP芯片通过虚拟双口RAM进行数据交互。DSP芯片得到采样数据，经过系列算法计算之后得到控制量，通过虚拟双口RAM发送到FPGA芯片，重复以上步骤，实现闭环控制。

3 实验结果

本系统可以达到的效果包括采样稳定性、控制稳定性和控制快速性。采用的外部AD芯片为16位，针对参考电压为5V的情况下，分辨率可以达到(5V/32767=)0.153mV，本系统采集的数字量波动范围在正负6左右，所以采样精度可以控制在±9.2mV范围之内。采用DC转换器控制的开关电源，针对输入电压为700V情况，输出电压波动范围可以控制在正负450mV范围内。在目标电压或者负载动态变化时，输出电压可以在50个周期之内跟踪到目标值，针对6K控制频率，响应时间在83.4ms。

4 总结

本系统在同步控制和采样的模式下，可以实现对脉动电流的精确采样，从而改变系统的控制精度。且系统采用分布式控制方式，可以实现多个模块的并联，从而实现模块化的控制和扩展的需要。

[1]吕凤.基于DSP及FPGA的级联型多电平逆变器研究与设计[D].山东大学,2010.

[2]潘海鸿,韦庆情,陈琳等.一种基于FPGA的多路信号同步采样控制电路,CN 103592881 A[P].2014.

[3]刘勇,祝忠明,罗文渊等.基于FPGA+DSP的高精度数字电源数据采集系统设计[J].电子元器件应用,2009(1):25-27.

An inductor current control and synchronous sampling DC converter design

Pan Xiaogang,Du Jiqing
(Guochong Chongdian Jiangsu science and technology Limited by Share Ltd , Yangzhou Jiangsu,225127)

The control index of bidirectional DC controller measure includes sampling and control two aspects of the system from the perspective of current sampling, the design of a synchronous inductor current control and sampling converter in a fixed position data acquisition control cycle, so as to achieve the purpose of stable sampling, and the control method of centralized management and distributed control scheme, parallel can achieve multi module expansion, leaving the foundation for later. Especially suitable for the DC converter need sampling device of inductor current, the converter is mainly used to achieve the synchronous sampling and control.

inductor current; synchronous control; synchronous sampling;module