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        一種基于CT采樣的高精度控制策略研究

        2021-09-26 01:18:54李現(xiàn)亭馬超群張東武生祥王帆
        機(jī)電信息 2021年24期
        關(guān)鍵詞:電流互感器控制精度

        李現(xiàn)亭 馬超群 張東 武生祥 王帆

        摘要:電流互感器(Current Transformer,CT)因具有成本低的特點(diǎn)而常用于工程中進(jìn)行電流的采樣,但在DC-DC電路中會(huì)存在電流斷續(xù)的情況,此時(shí)采用CT進(jìn)行采樣會(huì)存在電流誤差偏大,造成電流采樣結(jié)果不連續(xù)的問(wèn)題。基于此問(wèn)題,提出了一種高精度控制策略,根據(jù)開(kāi)關(guān)周期的占空比調(diào)整電流的采樣,從而保證電流的控制精度和響應(yīng)速度,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了此方法的有效性。

        關(guān)鍵詞:電流互感器;電流不連續(xù);控制精度

        0 引言

        隨著現(xiàn)如今新設(shè)備和分布式電源的飛速發(fā)展,所需要的直流電源模塊越來(lái)越多,對(duì)直流系統(tǒng)性能要求也逐漸提高。DC-DC電路具有更高的穩(wěn)定性,同時(shí)作為在能量變換中不可或缺的單元也得到了更廣泛的應(yīng)用[1-4]。通過(guò)DC-DC電路可將電壓變換到一定范圍,然后輸出給后級(jí)的用電設(shè)備。但DC-DC電路在進(jìn)行電流控制時(shí)會(huì)受到其采樣頻率的影響,在帶載較小、電感電流出現(xiàn)斷續(xù)的情況下,會(huì)出現(xiàn)電流誤差偏大,電流采樣不連續(xù)的問(wèn)題。

        本文針對(duì)傳統(tǒng)變換器采樣電流誤差較大的問(wèn)題,首先分析了Buck變換器的工作模式,在不同模式下對(duì)電感平均電流進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算;然后結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用提出了采用分段校準(zhǔn)來(lái)獲取平均電流采樣值的方法;最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

        1 工作模式分析

        以Buck變換器為例進(jìn)行說(shuō)明,圖1所示為Buck變換器的電路拓?fù)洹?/p>

        圖1中,Uin為輸入電壓,Uo為輸出電壓,S為開(kāi)關(guān)管,D為二極管,C為電容,L為電感,R為負(fù)載。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管S通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。一般Buck工作模式可以分為斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)、臨界導(dǎo)通模式(BCM)及連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM),下面對(duì)這幾種工作模式分別進(jìn)行分析。

        圖2所示為CCM模式下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與電感電流波形,ug為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓,iL為電感電流,當(dāng)Buck工作于CCM模式,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電感電流上升,關(guān)斷時(shí)電流下降,且一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中,開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間內(nèi)電流變化量相等。

        圖3為DCM模式下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與電感電流波形,t1時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,電感電流上升,電感儲(chǔ)能;t2時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,電感電流下降,電流通過(guò)二極管D續(xù)流釋放能量。與CCM模式不同,在DCM模式下,電感電流在t3時(shí)刻就已經(jīng)降到0,t3—t4時(shí)刻,輸出能量完全由電容提供。同理,BCM模式下電感電流在t4時(shí)刻下降為0。

        2 Buck平均電流采樣方法分析

        2.1 ? ?CCM模式平均電流采樣

        平均值采樣是一種較為常見(jiàn)的采樣方式,可在開(kāi)關(guān)周期任意時(shí)刻采樣。圖4所示為平均值采樣的配置方式,當(dāng)計(jì)數(shù)器值等于0時(shí),電感電流值正好為一個(gè)周期內(nèi)的平均電流,此時(shí)觸發(fā)采樣,采樣值即可作為變換器輸出電流平均值,直接傳輸?shù)江h(huán)路計(jì)算,用于變換器的控制。

        2.2 ? ?DCM模式平均電流采樣

        當(dāng)變換器工作于DCM模式時(shí),采集到的上升沿中點(diǎn)電流不等于單周期內(nèi)電感平均電流,此值直接用于環(huán)路控制時(shí),會(huì)導(dǎo)致采樣電流與輸出電流不一致,存在較大偏差,并且由于采樣值與實(shí)際值之間沒(méi)有線性關(guān)系,必須通過(guò)一定的計(jì)算矯正方式獲取平均電流采樣值。下面分析DCM模式下平均電流的計(jì)算方法。

        t1—t2時(shí)間內(nèi),可知:

        imax=(VL/L)·D1·TS ?(1)

        VL=Uin-Uo(2)

        t2—t3時(shí)間內(nèi),可知:

        imax=-(VL/L)·D2·TS ?(3)

        VL=-Uo(4)

        根據(jù)電荷平衡的原理,一個(gè)周期內(nèi)輸出電容增加的電荷Q+與減少的電荷Q-相同,電容上增加的電荷由電感電流決定,減少的電荷由負(fù)載決定,因此可得:

        則輸出平均電流io為:

        當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí),根據(jù)公式(1)及公式(3),可知:

        則根據(jù)公式(6)及公式(7),輸出電流可表示為:

        公式(8)可作為DCM模式下電感平均電流的計(jì)算方式。特殊情況下,當(dāng)變換器工作于連續(xù)方式時(shí),根據(jù)Buck變換器的工作原理,D′=1,輸出平均電流為峰值電流的一半,即imax/2,與理論平均電流計(jì)算值一致。

        2.3 ? ?電流采樣分段矯正

        實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于硬件采樣誤差及延時(shí),若公式(8)直接用于采樣電流的計(jì)算矯正,極易導(dǎo)致實(shí)際輸出電流與矯正后的采樣電流值存在偏差。例如,由于輸入電壓和輸出電壓的采樣誤差,即使變換器工作于連續(xù)模式時(shí),也可能存在|D′-1|=ε>0的情況,其中ε的值代表電壓采樣誤差量的大小,其值越大,表示采樣誤差越大。此外,由于電流采樣本身存在一定偏差,僅采用公式(8)進(jìn)行平均電流校準(zhǔn)時(shí)難以滿足精度要求,可以通過(guò)其他方法來(lái)提高采樣精度。

        因?yàn)樾‰娏鲿r(shí)硬件采樣精度低,而電流越大,采樣值越精確,為了提高電流在斷續(xù)時(shí)的采樣精度,變換器工作于斷續(xù)模式時(shí),采樣方式由常用的上升沿中點(diǎn)采樣改為峰值采樣,以獲取更高的采樣精度。

        此外,由于斷續(xù)和連續(xù)時(shí)平均電流計(jì)算方式不同,導(dǎo)致其產(chǎn)生誤差的原因不同,如果直接在公式(8)的基礎(chǔ)上乘以矯正系數(shù),難以在整個(gè)區(qū)間段滿足采樣精度要求,甚至在某些區(qū)域會(huì)導(dǎo)致偏差擴(kuò)大化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況,提出采用連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)分開(kāi)矯正的方法解決此問(wèn)題,分開(kāi)校準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于斷續(xù)點(diǎn)與連續(xù)點(diǎn)的區(qū)分,如果區(qū)間判斷錯(cuò)誤,采用錯(cuò)誤的校準(zhǔn)方式,得到的結(jié)果自然也會(huì)偏離。文獻(xiàn)[5]在判斷電感是否處于斷續(xù)模式時(shí),采用電感脈動(dòng)電流ΔI與輸出電流Io作比較來(lái)進(jìn)行區(qū)分,此種判斷方法需要采集輸出電流,但是工業(yè)中為了降低成本,一般不對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣,因此這種電流斷續(xù)的判斷方法不適合本文應(yīng)用。

        針對(duì)上述問(wèn)題,改進(jìn)后的采樣方式如圖5所示,以DCM模式為例,計(jì)數(shù)器工作于增減計(jì)數(shù)模式,計(jì)數(shù)器上升沿等于CMPA時(shí)進(jìn)行峰值電流采樣,記為imax;計(jì)數(shù)器下降沿等于CMPB時(shí)進(jìn)行最小電流采樣,記為imin。其中,imax用于提高電流采樣精度,imin用于判斷Buck變換器工作模式。

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