基于变速积分的直流浪涌发生器设计

2018-01-12刘密冬雷谢鹏飞

电气自动化 2017年5期

刘密，冬雷，谢鹏飞

(1.北京卫星制造厂，北京 100190； 2.北京理工大学，北京 100081)

0 引言

机载直流用电设备的实际供电环境较为复杂，存在过、欠压浪涌、供电中断、电压瞬变等可能工况。为了保证机载用电设备的安全运行，标准GJB181A、RTCA-DO-160规定了机载设备必须满足的供电要求。标准要求的供电电压变化范围较大，电压瞬变过渡时间要求严格，对测试电压发生系统提出了很高要求。使用直流稳压源+后级线性稳压是一种典型的28 V直流供电测试系统实现方式[1-2]，但是该方案线性稳压部分功耗很大，电压配置的灵活性相对局限。GJB181A中规定的直流系统分为28 V和270 V两类，若使用单级DC/DC变换器实现两类电压输出，则低压输出时开关频率占空比过小，开关管的电流应力较大，效率低，且输出电压分辨率会相对较低[3]。Bcuk+桥式电路两级变换，前级Buck针对28 V和270 V两类直流系统，分别变换出低、高压中间母线，后级桥式电路实现目标电压输出，可以有效提高控制脉宽和输出电压分辨率。论文采用基于DSP的全数字控制和变速积分算法，不仅可以实现输出电压快速变化，还可以实现浪涌发生器与上位机的实时通讯，提高系统应用的灵活性。

1 原理与设计

系统以三相380 V交流电为输入，通过桥式整流变换为直流母线。系统主功率回路还配置有快速熔断器、浪涌抑制电路、输入储能电容和功率变换单元；控制回路由DSP控制器、辅助电源、隔离驱动电路、信号采集、串行通信电路等构成。控制器采用MC56F8013，该芯片结合上位机指令和采样结果，通过控制策略给出主功率器件驱动信号，实现目标电压输出。浪涌发生器系统组成见图1所示。

图1 浪涌发生系统组成示意图

1.1 主电路功率变换拓扑

浪涌发生器主电路功率变换拓扑如图2所示，采用两级DC/DC变换，由一个Buck变换和一个桥式变换组成。前、后级变换器均通过调节占空比来控制输出电压，前级Buck变换采用PI调节稳定中间母线，后级变换采用变速积分PI调节确保输出电压的快速变化。

图2 浪涌发生系统主电路拓扑

图3 后级桥式变换主要工作波形

桥式变换采用中心对称时序产生控制脉冲VG2、VG3实现稳压输出，其主要工作波形如图3所示。

t0→t1、t2→t3时刻，功率管M2、M3导通，UAB为中间母线U1，电感电流IL2线性增加。

t1→t2时刻，功率管M2导通，M3关断，电感电流IL2通过M2、D2通路续流。

t3→t4时刻，功率管M2关断，M3导通，电感电流IL2通过M3、D3通路续流。

实施具体控制时，设置VG2高电平有效、VG3低电平有效。若闭环计算所得控制量为占空比D，则施加于M2、M3上的控制量为：

DM2=0.5+D/2DM3=0.5-D/2

则电路实际的有效占空比仍然为D，且输出电感电流脉动频率为功率器件开关频率的两倍，可以有效减小输出滤波器体积，提高输出电压的响应速度。

1.2 变速积分算法

PI控制因其控制方便、稳定性高等优点，被广泛应用于现代工业控制中[4]。传统开关型DC/DC变换器输出电压变换范围不是很宽，固定的PI控制参数就可以适应其工作状态。本文所述浪涌发生器输出电压变化范围大，电压瞬变特性要求严格，固定的PI参数无法满足全输出范围的工作状态，故使用改进的变速积分算法来解决该问题。

该系统所使用PI控制器表达式为：

(1)

式中u(k)为PI调节器输出；Kp、Ki为比例、积分系数；N(j)为积分系数的权值；e(k)为偏差信号。系统的变速积分算法中积分系数是偏差信号的函数，当进行输出电压瞬变浪涌时，以目标电压给定和当前电压给定差值的20%(标识为B)作为偏差判断基准。偏差越大，给定的积分系数越大，加快控制量的调节速度，偏差越小，给定积分系数变小。积分系数权值与偏差大小对应的函数为：

(2)

变速积分控制解决输出电压瞬变过程中的快速性问题，当输出电压进入稳态时，为了提高系统稳定性，退出PI控制，进行小区间滞环控制。根据输出电压偏差量自动进行瞬态与稳定控制的切换，满足快速性与稳定性的要求。

2 软件设计

软件设计需要根据用户输入，匹配各类硬件资源，确保功能实现的同时，提高执行效率与可靠性，是浪涌发生器的核心部分。软件开发基于56800E系列DSP专用IDE开发平台CodeWarrior，主要使用了芯片内部的PWM模块、ADC模块、定时器模块和串行通信模块[5]。

程序执行过程中，为了确保控制频率的准确性，将PWM模块中断设置为较高优先级。PWM服务程序为主程序，该程序中开启ADC采样获得最新数据，对采样信号进行初始数字滤波，并根据要求值和数据状态得出当前控制量，重载占空比输出，程序流程如图4所示。ADC模块实时转换电压、电流信号，确保数据采集的实时性。定时5 ms服务子程序判断系统工作状态，设置状态参数。通信服务子程序实现浪涌发生器数据与上位机的交互，确保用户指令的及时接收与浪涌发生器状态的实时上传。

图4 主程序流程图

3 实验

根据上述分析，设计搭建了一台Buck+桥式两级变换样机产品进行测试实验。浪涌发生器输入电压为三相380 V交流电压，通过三相全桥整流产生直流母线。Buck和桥式DC/DC变换的主功率开关管均为IXFN38N100Q2两只并联，续流二极管为DSEI2×61-12B，隔离驱动芯片为HCPL3120，开关频率20 kHz。Buck变换参数为：L1=20 μH，C1=100 μF；桥式变换参数为：L2=15 μH，C2=10 μF。输出28 V直流测试系统Buck变换输出中间母线为100 V，输出270 V直流测试系统Buck变换输出中间母线为390 V。测试输出的峰值电流为低压档80 V/40 A，高压档350 V/16.8 A，输出峰值功率分别为3.2 kW和5.9 kW。测试波形如图5、图6所示。