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[導讀]1引言開關電源是一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng),開關電源的控制環(huán)節(jié)的設計是其設計的重要組成部分。其常用的設計步驟是對主電路建立小信號模型,作出開環(huán)波特圖,然后根據(jù)性能指標要求,運用經(jīng)典自動控制理論,設計校正系統(tǒng)

1引言

開關電源是一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng),開關電源的控制環(huán)節(jié)的設計是其設計的重要組成部分。其常用的設計步驟是對主電路建立小信號模型,作出開環(huán)波特圖,然后根據(jù)性能指標要求,運用經(jīng)典自動控制理論,設計校正系統(tǒng),使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。很多研究者對開關電源的控制系統(tǒng)進行了分析[1]?[4]。

應用在電力領域的開關電源一般要求能工作在恒壓和恒流兩種模式,在控制上有兩種常用的實現(xiàn)方式:一種是采用并聯(lián)式雙環(huán)控制,在系統(tǒng)中建立兩個獨立的電壓環(huán)和電流環(huán)。這種控制方式簡單穩(wěn)定,容易設計,穩(wěn)定時只工作在某個單環(huán)控制下,兩個控制環(huán)不會互相干擾,可以保證很好的恒壓和恒流精度。另一種是采用串級式雙環(huán)控制,當系統(tǒng)工作在恒壓模式下時是用雙環(huán)控制,工作在恒流模式下是用單環(huán)控制。

電力操作電源一般為并聯(lián)工作的模塊式電源,在這種并聯(lián)運行的電源中限流特性十分重要,否則當一臺模塊退出工作時,其它模塊會因不能及時限流而引起連鎖反應,相繼保護退出工作。另外,從控制的角度來說,減小運行參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,增強系統(tǒng)的魯棒性是很重要的。本文通過對兩種控制方式進行建模分析,對兩種控制方式的限流速度和控制穩(wěn)定性進行了比較,并通過實驗得到了驗證。

2兩種控制方式分析

2?1并聯(lián)式雙環(huán)控制方式

這種控制方式電路原理圖如圖1所示,使用兩個并聯(lián)的單環(huán)分別實現(xiàn)電路的恒壓和恒流功能,電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出和電流環(huán)PI調節(jié)器輸出均通過一個二極管接到三角波比較器的正輸入端,電路工作時,若電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1小于電流環(huán)PI調節(jié)器輸出UC1,則DV1導通,電路工作在電壓環(huán)控制模式;反之DC1導通,電路工作在電流環(huán)控制模式。這種控制方式下,在穩(wěn)定工作時,電壓環(huán)和電流環(huán)只有一個環(huán)在工作,不會互相干擾。而且單環(huán)控制的設計和分析都相

圖1并聯(lián)式雙環(huán)控制方式的電路原理圖

圖2電壓環(huán)單環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖3電流環(huán)單環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖4電壓環(huán)單環(huán)開環(huán)波特圖

圖5電流環(huán)單環(huán)開環(huán)波特圖

對簡單。但由于電壓環(huán)和電流環(huán)的調節(jié)器輸出端接在一起,在過渡過程中,特別是當兩個環(huán)之間進行切換時,會形成相互干擾,可能會導致電路工作不穩(wěn)定。

圖2是工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式時的電路方框圖。圖3是工作在電流環(huán)單環(huán)控制模式時的電路方框圖。圖2、圖3中:

H為輸出電壓采樣系數(shù),H=R2/(R1+R2);

FM為脈寬調制器的傳遞函數(shù),F(xiàn)M=1/UPP,(UPP為三角波峰峰值);

GV(s)為電壓環(huán)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù);

GdV(s)為主電路的占空比對輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù);

Ki為電感電流采樣系數(shù);

Gi(s)為電流環(huán)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù);

Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開環(huán)傳遞函數(shù)。GV(s)=(1)GdV(s)=×(2)Gdi(s)=×(3)

式中:Uin輸入直流母線電壓;

L為輸出濾波電感值;

RL為濾波電感的電阻;

C為輸出濾波電容;

RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻;

R為負載電阻。

由圖2可得電壓環(huán)單環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)(4)

由圖3可得電流環(huán)單環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)(5)

將如圖1所示的實際電路參數(shù)代入式(4)和(5),其中Uin=515V,Upp=3.5V,Ki=0.1。做出波特圖。圖4為電壓環(huán)開環(huán)波特圖,其剪切頻率為1.5kHz,相位裕量為28°。圖5為電流環(huán)開環(huán)波特圖,其剪切頻率為10kHz,相位裕量為81°。

2.2串級型雙環(huán)控制方式

這種控制方式的電路原理圖如圖6所示,它在結構上將兩個單環(huán)串聯(lián)起來,同樣也能實現(xiàn)電路恒壓和恒流兩種工作方式。當D3導通時,電路工作在恒流模式,此時,電壓環(huán)不起作用,電路相當于單環(huán)控制,其電路方框圖和傳遞函數(shù)同圖1所示電路工作在恒流模式是一樣的,不再重復。當D3截止時,電路工作在恒壓模式下,電路采用串級雙環(huán)控制,電流環(huán)作為電壓環(huán)的內環(huán),電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出UV2作為電流環(huán)PI調節(jié)器的給定。其電路方框圖如圖7所示,在設計參數(shù)時,先設計電流環(huán)的調節(jié)器,獲得穩(wěn)定的內環(huán),然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Tic(s),并將其作為電壓環(huán)的一個環(huán)節(jié),如圖8所示,然后設計電壓環(huán)的調節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點是很好地解決了電路的限流問題,使電路具有最快的限流響應速度。但是這種控制方式的實際限流給定是限流值Uiref加上D3的管壓降,因為D3的管壓降與通過它的電流有關,所以這種控制方式的穩(wěn)流精度不如前面那種控制方式,但可以通過調節(jié)電阻R3,減小D3管壓降的變化量,以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。

圖8電壓環(huán)雙環(huán)控制方式下的等效電路方框圖

圖6串級型雙環(huán)控制方式的電路原理圖

圖7電壓環(huán)雙環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖9雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖

 

圖7和圖8中,Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗:Z(s)=(6)

其它函數(shù)在上面已經(jīng)定義,就不再復述。

根據(jù)圖7,得到電流環(huán)(內環(huán))的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:Tic(s)=(7)

然后由等效方框圖圖8可得,電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

Tvo1(s)=HGV(s)Tic(s)Z(s)(8)

為了便于比較兩種控制系統(tǒng)特性,串級型雙環(huán)控制方式下的控制參數(shù)與并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下的控制參數(shù)一致。將如圖6所示的實際電路參數(shù)代入式(8),其中Uin=515V,Upp=3.5V,Ki=0.1。得到串級型雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖,如圖9所示。其剪切頻率為378Hz,相位裕量為98°,穩(wěn)定裕量為59dB。

3兩種控制方法的比較

3?1串級型雙環(huán)控制方式具有更快的限流響應速度

在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下,當系統(tǒng)的工作狀態(tài)由恒壓模式切換到恒流(限流)模式時,由于存在一個切換的過渡過程,往往會導致限流速度太慢,甚至發(fā)生兩個環(huán)交互作用,互相干擾而導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因為當電路工作在恒壓模式時,此時的輸出電感電流平均值比限流設定值低,所以電流環(huán)PI調節(jié)器正向飽和輸出UC1,這時負載突然增大,并且電感電流平均值大于限流值,但電路并不是立即進入限流狀態(tài),而是要等到UC1的輸出從正向飽和狀態(tài)退出并且降到比電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1低時,此時DC1才導通,限流環(huán)才開始起作用。這樣就會有可能帶來兩個問題:一是如果這段時間太長,系統(tǒng)有可能因為不能及時限流而導致過流保護;二是如果電流環(huán)和電壓環(huán)的響應速度比較接近時,則在這個過渡過程中有可能兩個環(huán)交錯作用,互相干擾,導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。圖10所示波形是當兩臺模塊并聯(lián)運行時,關掉一臺模塊,另一臺模塊過流保護時輸出濾波電感電流的波形,其波形是采用霍爾傳感器得到的,檢測系數(shù)為20:1,通道1為模塊1輸出濾波電感電流波形,通道2為模塊2輸出濾波電感電流波形,實驗條件為:兩臺并聯(lián)工作輸出42A,模塊的限流值為25A。此時關掉模塊1,對于模塊2相當于突然增加一倍負載,由圖中可見,由于模塊2的限流環(huán)不能及時作用,導致其過流保護。

圖11顯示了通道1為電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1,通道2為電流環(huán)PI調節(jié)器輸出UC1。負載沒有突變時,系統(tǒng)工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式,此時UV1決定電路的占空比;UC1飽和輸出,(在實驗電路中為了加快其響應速度,將它限幅在6V)電流環(huán)不工作。當負載突增,輸出電壓下降,因此UV1上升,當電感電流平均值超過限流值時,UC1下降,但在電路中由于電壓環(huán)和電流環(huán)的速度接近,使它們在過渡過程中交錯作用,導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

而系統(tǒng)采用串級型雙環(huán)控制方式時則不會有此類問題,因為在這種情況下,電路工作在恒壓模式時,說明電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出小于限流環(huán)設定,D3截止,但電流環(huán)作為內環(huán)仍然在工作著。同樣如果此時負載突然增加,則由于輸出電壓降低,所以電壓環(huán)的PI調節(jié)器輸出增加,當UV2大于限流值時,D3導通,系統(tǒng)則工作在恒流模式。從電路結構中看,這種控制方式是對電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出進行限幅,限幅值就是電流環(huán)的限流值Uiref,這樣一旦電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出大于限流值Uiref,系統(tǒng)就立即進入限流狀態(tài),從而使系統(tǒng)具有最快的限流響應速度。圖12是當兩臺模塊并聯(lián)運行時,關掉一臺模塊,另一臺模塊快速限流時的輸出濾波電感電流波形。通道1、通道2分別為模塊1、模塊2的輸出濾波電感電流,電流檢測系數(shù)為20:1。此時模塊的限流值和保護值不變。同樣兩臺模塊也是并聯(lián)工作,輸出42A。然后關掉模塊1,由圖12可見,采用串級型雙環(huán)控制后,模塊2快速限流,并且無超調。

3?2串級型雙環(huán)控制方式具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性能

圖10并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下突變負載引起過流保護

圖11并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下負載突變引起電壓環(huán)和電流環(huán)交錯作用

圖12串級型雙環(huán)控制方式下負載突變模塊能夠迅速限流

圖13電壓環(huán)單環(huán)控制下變化輸入電壓對系統(tǒng)開環(huán)波特圖的影響

圖14電壓環(huán)雙環(huán)控制下變化輸入電壓對系統(tǒng)開環(huán)波特圖的影響

在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下,主電路小信號模型的增益與輸入電壓有關。此時不管是采用PI或是PID控制,當輸入電壓在較大范圍內變化時,都會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剪切頻率造成影響,這樣就給控制調節(jié)器的設計帶來了困難,如果控制調節(jié)器設計得比較臨界,甚至有可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。圖13是系統(tǒng)工作在電壓環(huán)單環(huán)控制方式下,變動輸入電壓得到一組系統(tǒng)的開環(huán)波特圖。由圖13可得當Uin=200V時,系統(tǒng)的相位裕量為39°,剪切頻率為1kHz;當Uin=400V時,系統(tǒng)的相位裕量為29°,剪切頻率為1.3kHz;當Uin=600V時,系統(tǒng)的相位裕量為28°,剪切頻率為1.6kHz??梢姡S著輸入電壓Uin的變化,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度都在發(fā)生變化,因此在設計控制器的時候必須考慮到系統(tǒng)工作在輸入電壓的全范圍均能良好工作,這樣就使設計控制器變得比較復雜。

而當系統(tǒng)工作在串級型雙環(huán)控制方式下時,輸入電壓對系統(tǒng)特性幾乎沒有影響,圖14是系統(tǒng)工作在串級型雙環(huán)控制方式下,變動輸入電壓得到一組系統(tǒng)的開環(huán)波特圖。

由圖14可得當Uin分別為200V,400V,600V時,系統(tǒng)的相位裕量為98°,剪切頻率為375Hz,均沒有變化。可見隨著輸入電壓的變化,系統(tǒng)開環(huán)波特圖在中低頻段幾乎沒有變化,僅僅在高頻段有些影響,但這對系統(tǒng)性能影響很小。這樣系統(tǒng)不僅具有更好的穩(wěn)定性能,而且使控制器的設計變得簡單許多。

4結語

本文對應用于開關電源中的并聯(lián)型雙環(huán)控制方式和串級型雙環(huán)控制方式進行了建模和對比分析,得出以下結論:

(1)串級型雙環(huán)控制方式較并聯(lián)型雙環(huán)控制方式具備更快的限流響應速度,因此串級型雙環(huán)控制方式更適合于并聯(lián)運行的模塊化電源,如電力操作電源。

(2)串級型雙環(huán)控制方式較并聯(lián)型雙環(huán)控制方式對系統(tǒng)的運行參數(shù)具有更好的魯棒性,因此串級型雙環(huán)控制方式更適應于輸入電壓變化范圍大的應用場合。

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