雙向Buck/Boost變換器在自行系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

劉文逸，范天峰，張艷利，付小強(qiáng)

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

隨著自行高炮在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中作戰(zhàn)對(duì)象和作戰(zhàn)任務(wù)的變化，各國(guó)越來(lái)越重視發(fā)展自行高炮的高機(jī)動(dòng)行進(jìn)間伴隨防空作戰(zhàn)能力。目前我國(guó)大多數(shù)自行高炮初級(jí)電源是由底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)提供，自行高炮行進(jìn)間受路況影響進(jìn)行減速、爬坡或者換擋等操作時(shí)，底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，造成發(fā)電機(jī)輸出功率下降，從而導(dǎo)致自行高炮電源系統(tǒng)因功率不足無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響自行高炮工作的穩(wěn)定性和可靠性。

針對(duì)自行高炮電源系統(tǒng)因底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致輸出功率不足的問(wèn)題，筆者提出采用一種基于雙向Buck/Boost變換器的雙向功率補(bǔ)償系統(tǒng)，其中雙向Buck/Boost變換器控制超級(jí)電容和直流母線之間能量的流向和大小，是自行高炮功率補(bǔ)償系統(tǒng)的核心部件。因此筆者設(shè)計(jì)了一種適合于該功率補(bǔ)償系統(tǒng)的雙向Buck /Boost變換器,確定了自行高炮在不同工作狀態(tài)下雙向Buck /Boost變換器對(duì)應(yīng)的工作模式[1]的控制目標(biāo)，分析了其在自行高炮行進(jìn)間作戰(zhàn)的應(yīng)用需求，建立了小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)相應(yīng)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)合工程應(yīng)用背景，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了兩種工作模式之間切換試驗(yàn)和充放電試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析和工程設(shè)計(jì)的正確性。

1 拓?fù)渑c工作原理

1.1 變換器拓?fù)浞治?/h3>

圖1為自行高炮電源系統(tǒng)雙向Buck/Boost變換器拓?fù)鋱D[2]，其中超級(jí)電容的端電壓為UBAT，直流母線的端電壓為Um，雙向Buck/Boost變換器工作模式通過(guò)功率補(bǔ)償系統(tǒng)的控制管理策略控制。當(dāng)雙向Buck/Boost變換器工作在Boost模式時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降而導(dǎo)致直流母線上下降的那部分功率通過(guò)超級(jí)電容放電補(bǔ)償，但由于超級(jí)電容兩端的電壓隨放電時(shí)間下降，同時(shí)受負(fù)載功率需求影響，負(fù)載因自行高炮動(dòng)作而不斷波動(dòng)，因此需要對(duì)超級(jí)電容輸出電壓采取穩(wěn)定控制；當(dāng)雙向Buck/Boost變換器處于Buck模式時(shí)，變換器控制直流母線向超級(jí)電容充電，采用先恒流后恒壓的充電方式。

1.2 工作原理分析

加裝功率補(bǔ)償系統(tǒng)的自行高炮行進(jìn)間戰(zhàn)斗時(shí)可分為兩種工作狀態(tài)：非正常行駛(換擋、爬坡、減速或剎車(chē))和正常行駛。當(dāng)自行高炮非正常行駛時(shí)，行進(jìn)間進(jìn)行換擋、爬坡、減速和剎車(chē)操作時(shí)，雙向Buck/Boost變換器工作在Boost工作模式,此種模式下, 底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出功率下降，低壓側(cè)超級(jí)電容的能量由雙向變換器升壓向直流母線補(bǔ)償能量，發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容共同提供自行高炮行進(jìn)間射擊時(shí)所需要的瞬時(shí)大功率,這樣避免了因底盤(pán)發(fā)電機(jī)輸出功率不足從而影響電源系統(tǒng)正常工作[2-3]。當(dāng)自行高炮正常行駛時(shí)，雙向Buck/Boost變換器工作在Buck工作模式，此時(shí)底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出的功率不僅能夠滿(mǎn)足自行高炮各用電設(shè)備需求，并同時(shí)通過(guò)雙向Buck/Boost變換器降壓向超級(jí)電容充電[3-5]。

2 系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計(jì)

2.1 雙向Buck/Boost變換器控制策略

當(dāng)自行高炮工作在加速、爬坡、減速以及剎車(chē)時(shí)，由于底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出功率下降，根據(jù)自行高炮的用電功率分配控制策略，此時(shí)超級(jí)電容通過(guò)雙向Buck/Boost變換器向電源系統(tǒng)進(jìn)行放電。由于超級(jí)電容端電壓在輸出瞬時(shí)大功率時(shí)會(huì)大幅跌落，超級(jí)電容在提供大功率的同時(shí)需保持雙向Buck/Boost變換器輸出電壓穩(wěn)定于直流母線指定值Uref以改善發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，防止因超級(jí)電容端電壓的跌落影響電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量，同時(shí)引入電感電流內(nèi)環(huán)控制改善變換器的性能，因此，變換器處在Boost工作模式時(shí)采用直流母線電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

當(dāng)超級(jí)電容電量不足時(shí)，而自行高炮處于正常行駛狀態(tài)，此時(shí)變換器處于Buck工作模式，發(fā)電機(jī)輸出的功率除了提供給自行高炮各用電設(shè)備供電之外，其余功率通過(guò)Buck/Boost變換器給超級(jí)電容充電，按照超級(jí)電容特性及充電要求，采用先以給定指令iref=iLmax恒流充電，然后再以超級(jí)電容電壓指令值UBAT恒壓充電的方式控制[5-6]。

2.2 雙向Buck/Boost變換器Boost模式控制設(shè)計(jì)

自行高炮行進(jìn)間進(jìn)行加速、爬坡、減速和剎車(chē)操作時(shí)，當(dāng)?shù)妆P(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到低于設(shè)計(jì)閾值，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率小于炮車(chē)全部用電設(shè)備所需功率，為了改善自行高炮電源系統(tǒng)供電品質(zhì)與穩(wěn)定性，此時(shí)Buck/Boost變換器工作在Boost模式時(shí)，需要控制直流母線電壓Um到Uref=325 V,因此，變換器工作在Boost模式時(shí)采用直流母線電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。對(duì)其進(jìn)行電路建模，超級(jí)電容可等效為內(nèi)阻r與恒壓源ub串聯(lián)。求得變換器在Boost模式下的交流小信號(hào)方程為[2-4]

(1)

通過(guò)上述方程可建立相應(yīng)小信號(hào)等效電路，如圖2所示。

根據(jù)小信號(hào)交流等效電路和穩(wěn)態(tài)關(guān)系，可求得傳遞函數(shù)Gid_d(s)和Gvi_d(s)，Gid_d(s)為變換器Boost模式下占空比到電感電流的傳遞函數(shù)，Gvi_d(s)為電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)。

(2)

(3)

根據(jù)傳遞函數(shù)可得到其控制框圖如圖3所示。將直流母線采樣電壓Usam(s)與給定參考電壓Uref進(jìn)行比較，比較值經(jīng)PI控制器Gvd(s)補(bǔ)償?shù)玫絠Lref(s)，電感電流iL(s)采樣得到的采樣值isamL(s)與電流環(huán)指令值iLref(s)比較后經(jīng)PI控制器Gid(s)補(bǔ)償，再通過(guò)PWM發(fā)生器生成變換器占空比dd(s),Gpwm(s)為PWM增益，Gid_close(s) 為電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

2.3 雙向Buck/Boost變換器Buck模式控制設(shè)計(jì)

當(dāng)自行高炮處于正常行駛狀態(tài)時(shí)，底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)輸出功率不僅滿(mǎn)足自行高炮各負(fù)載的用電需求，同時(shí)還通過(guò)雙向Buck/Boost變換器給超級(jí)電容充電。此時(shí)變換器工作在Buck模式時(shí)采用電壓環(huán)和電流環(huán)的雙環(huán)控制，當(dāng)超級(jí)電容端電壓UBAT與給定參考電壓Uref相差較大時(shí)，電壓環(huán)飽和，變換器采用恒流方式給超級(jí)電容充電;當(dāng)超級(jí)電容端電壓UBAT與參考電壓Uref相近時(shí)，電壓環(huán)退出飽和，雙向Buck/Boost變換器采用恒壓方式給超級(jí)電容充電，充電電流隨超級(jí)電容電量而下降，此時(shí)直流母線等效為恒壓源，求得變換器在Buck模式下的交流小信號(hào)方程為[2-4]

(4)

通過(guò)上述方程可建立相應(yīng)的小信號(hào)交流等效電路，如圖4所示。

根據(jù)小信號(hào)交流等效電路和穩(wěn)態(tài)關(guān)系,可求得傳遞函數(shù)Gid_c(s)和Gvi_c(s)，Gid_c(s)為變換器在Buck模式下占空比到電感電流的傳遞函數(shù)，Gvi_c(s)為電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)。

(5)

(6)

根據(jù)超級(jí)電容充電模式下雙向Buck/Boost變換器的控制策略得到其控制框圖,如圖5所示，將超級(jí)電容電壓ub(s)采樣得到的電壓usam_1(s)與給定參考電壓Uref進(jìn)行比較，比較值經(jīng)PI控制器Gv(s)補(bǔ)償?shù)玫絠ref(s),然后將電感電流采樣值iL_sam1(s)與電感電流內(nèi)環(huán)指令值iref(s)比較后經(jīng)過(guò)PI控制器Gic(s)補(bǔ)償，再經(jīng)PWM發(fā)生器生成變換器占空比dc(s),Gpwm(s)為PWM增益，Gic_close(s) 為電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙向Buck/Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法的正確性和可行性，搭建了8 kW雙向Buck/Boost變換器的試驗(yàn)平臺(tái)。直流母線輸出電壓為325 V，超級(jí)電容兩端電壓為190～220 V之間，直流母線負(fù)載為13 kW.在底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)為怠速運(yùn)轉(zhuǎn)(800 r/min)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率為9.8 kW；當(dāng)?shù)妆P(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)額定功率為20 kW,超級(jí)電容電壓為195～220 V，Buck/Boost變換器最大輸出功率為8 kW，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min時(shí),輸出功率為13.5 kW，變換器實(shí)現(xiàn)由Buck模式向Boost模式切換，同理，當(dāng)發(fā)電機(jī)高于1 200 r/min時(shí),輸出功率為16.5 kW，變換器實(shí)現(xiàn)由Boost模式向Buck模式切換。

變換器控制系統(tǒng)采用TMS320F2808 型DSP，采樣直流母線電壓和電流，超級(jí)電容兩端電壓，輸出電感電流，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理送入DSP，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理與分析，其程序流程圖如圖6所示。

圖7為雙向Buck/Boost變換器從Buck模式切換到Boost模式下直流母線電壓和電感電流波形圖，直流母線負(fù)載為10 kW，由圖7可見(jiàn)，變換器由Buck可工作模式切換到Boost模式時(shí)，電感電流穩(wěn)態(tài)誤差小，切換后直流母線電壓穩(wěn)定在325 V左右，顯示了變換器良好動(dòng)態(tài)切換性能。

圖8為雙向Buck /Boost變換器工作在Boost模式，直流母線負(fù)載由13.5 kW切換到10 kW變換器的動(dòng)態(tài)性能圖。由圖8可見(jiàn)，變換器工作在Boost模式下時(shí)，在對(duì)應(yīng)負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為85 ms左右，同時(shí)電感電流和直流母線電壓的超調(diào)量較小，顯示出良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖9為雙向Buck/Boost變換器從Boost模式切換到Buck模式下直流母線電壓和電感電流波形圖。由圖9可見(jiàn)，變換器由Boost工作模式切換到Buck模式時(shí)，切換響應(yīng)時(shí)間在80 ms左右，輸出電壓和電感電流的超調(diào)量較小，切換后母線電壓穩(wěn)定在325 V左右，顯示出良好的動(dòng)態(tài)切換性能。

圖10為雙向Buck/Boost變換器在Buck工作模式下，直流母線負(fù)載由10 kW切換到13.5 kW,直流母線電壓和電感電流波形圖。

由圖10可見(jiàn)，變換器工作在Buck模式時(shí)，負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為90 ms左右，且直流母線電壓和電感電流的超調(diào)量較小，顯示出較好的動(dòng)態(tài)性能。

可見(jiàn)，筆者設(shè)計(jì)的雙向Buck/Boost變換器在自行高炮行進(jìn)間兩種不同工作模式下或者不同工作模式之間的切換過(guò)程中，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較快，電壓和電流超調(diào)量較小，動(dòng)態(tài)性能良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者從自行高炮行進(jìn)間作戰(zhàn)需求出發(fā)，對(duì)炮車(chē)底盤(pán)主機(jī)電站進(jìn)行了分析，為了解決主機(jī)電站發(fā)電機(jī)輸出隨底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)而帶來(lái)輸出功率下降的問(wèn)題，提出了一種基于雙向Buck/Boost變換器的功率補(bǔ)償系統(tǒng)，并推導(dǎo)了不同模式下變換器的動(dòng)態(tài)模型，設(shè)計(jì)了不同工作模式下的閉環(huán)控制器。試驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的雙向Buck/Boost變換器在兩種工作模式下或者不同工作模式直接相互切換時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較快，動(dòng)態(tài)性能良好，能夠滿(mǎn)足自行高炮電源功率補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用要求。