CN110649818A - 一种基于多变量控制技术的车载电源pwm控制策略 - Google Patents

一种基于多变量控制技术的车载电源pwm控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，属于电力技术领域，包括建立采用了辅助电流源网络的移相全桥变换器拓扑电路，通过输出电压电流双环PID控制环路计算得到超前桥臂与滞后桥臂的移相角，通过辅助电流环PID控制环路计算得到开关管的导通角，从而既调节输出功率，又解决了对辅助电流源无功电流量的控制，提高系统工作效率的技术问题，本发明解决了采用移相全桥拓扑的车载电源在使用辅助电流源实现轻负载条件下滞后桥臂实现ZVS所需无功电流量不受控制的问题，既利用辅助电流源电路实现了轻载条件下滞后桥臂的ZVS，又可以调节不同负载条件下辅助电流源无功电流量，提升了车载电源的工作效率。

Description

一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略
技术领域
本发明属于电力技术领域，特别涉及一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略。
背景技术
随着能源危机与环境污染的加剧，新能源汽车作为替代传统汽车的节能环保型交通工具，开始被越来越多的消费者认可。纯电动汽车(EV)作为新能源汽车中最重要的一种，也被认为是未来汽车的发展方向。为了满足汽车中不同电压等级负载的要求，目前电动汽车的电气系统包含高压系统和低压系统两部分。高压系统中由高压动力电池给电机，空调系统等提供电能；低压系统中则由低压蓄电池给仪表盘，雨刮器等汽车低压负载提供电能。高压动力电池和低压蓄电池之间通过一级车载辅助充电DC-DC变换器连接，用于高压电池给低压负载的供电，同时给低压电池充电。
由于高压动力电池的电压等级为400V，而低压蓄电池电压等级为12V，因而要求DC-DC变换器能够实现高低压的电气隔离；为了加快电池的充电效率，要求DC-DC变换器具备输出大电流的能力；同时由于蓄电池的充电过程大多伴随着它的使用，变换器将较多地工作于轻载情况下，因而要求变换器拥有较高的轻载效率。常见的隔离型DC-DC拓扑主要有双管正激拓扑、半桥拓扑、全桥拓扑等。其中，全桥拓扑由于其更小的电压电流应力，更小的磁元件尺寸，更高的磁芯利用率，更灵活多变的控制方式，以及相同条件下能够输出更大功率的特点，更适合应用于车载辅助充电DC-DC中。而移相全桥作为全桥拓扑的一种，除了拥有上述全桥电路的优点外，还能够实现原边开关管的零电压开关(ZVS)，有利于提高变换器的开关频率，效率和功率密度，降低开关噪声，同时控制简单，在目前的中高功率场合得到了广泛的应用。
传统全桥转换器的主要问题是轻负载条件下ZVS的损失，该问题恶化了该特定应用的转换器的效率和性能。无源非对称辅助电路可以有效地解决这个问题而不会有太多地复杂性。
如图1所示为一种采用了辅助电流源网络的移相全桥变换器拓扑。它由辅助电感La、辅助电容Ca1和Ca2组成。辅助电感La与桥臂中点相连。Ca1和Ca2为分压电容。通过分析可知：当Q2导通时，电感La两端的电压为-VCa1，使得iLa线性减小；当Q4导通时，电感La两端的电压为VCa2，使得iLa线性增加。辅助电路提供无功电流以保证ZVS操作，与负载条件无关。
虽然该辅助电流源电路能够扩展实现ZVS的负载范围，但由于每个开关管的占空比均为50％使得辅助电流源无功电流量不受控制，无功电流量对于不同的工作范围是恒定的。这降低了转换器的效率，特别是对于轻负载的条件下。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，解决了对辅助电流源无功电流量的控制，提高系统工作效率的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，包括以下步骤：
步骤1：建立采用了辅助电流源网络的移相全桥变换器拓扑电路，设定该电路中的开关管电桥包括开关管Q1和开关管Q4以及开关管Q2和开关管Q3；
设定移相角
Figure BDA0002216454620000021
为Q1和Q2以及Q3和Q4之间导通间隔角；
步骤2：检测车载电源当前工作环境下输出电流iL的大小，确定车载电源处于轻载工作条件下；
步骤3：检测车载电源当前工作环境下辅助电流源电流iLa的大小，计算iLa与给定的辅助电流源无功电流量的差值ΔiLa，通过辅助电流PID控制环路计算得到开关管占空比d；
步骤4：检测车载电源当前工作环境下输出电压vo与输出电流iL的大小，计算vo和iL分别与给定的输出电压以及输出电流的差值Δvo和ΔiL，通过输出电压电流双环PID控制环路计算得到超前桥臂与滞后桥臂的移相角
Figure BDA0002216454620000022
从而调节输出功率。
优选的，在执行步骤4时，当
Figure BDA0002216454620000023
时，即，移相角
Figure BDA0002216454620000024
小于Q1和Q2的导通角，输出电压的占空比d与Q1和Q2的导通角无关而仅受Q1和Q2之间的移相角
Figure BDA0002216454620000031
所调制，在控制辅助电流源的电流而对占空比d进行调制时不会对输出电压造成影响；
当
Figure BDA0002216454620000032
时，即，移相角大于Q1和Q2的导通角，输出电压的占空比直接由Q1和Q2的导通角调制，而Q1和Q2之间的移相角仅仅改变变压器副边正负电压方波之间的距离。
优选的，移相角
Figure BDA0002216454620000035
和占空比d需要满足以下条件：
Figure BDA0002216454620000036
优选的，输出电压以及电感电流作为反馈信号参与移相角
Figure BDA0002216454620000037
的计算和控制，无功电流量作为反馈信号参与开关管的占空比d的计算和控制。
本发明所述的一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，解决了对辅助电流源无功电流量的控制，提高系统工作效率的技术问题，本发明解决了采用移相全桥拓扑的车载电源在使用辅助电流源实现轻负载条件下滞后桥臂实现ZVS所需无功电流量不受控制的问题，既利用辅助电流源电路实现了轻载条件下滞后桥臂的ZVS，又可以调节不同负载条件下辅助电流源无功电流量，提升了车载电源的工作效率，辅助电流源电流控制环路结构简单且与输出电压和电感电流的控制环路相对独立不存在互相干扰，可以同时实现对输出电压、电感电流以及辅助电流源电流的控制。
附图说明
图1是传统的采用辅助电流源网络的移相全桥变换器拓扑；
图2是不同占空比下辅助电流源电流的波形图；
图3是传统移相全桥PWM控制策略与主要波形图；
图4是本发明中步骤4的
Figure BDA0002216454620000038
时的占空比示意图；
图5是本发明中步骤4的时的占空比示意图；
图6是辅助电流控制环路框图；
图7是本发明的控制系统示意图。
具体实施方式
如图1-图7所示的一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，包括以下步骤：
步骤1：建立采用了辅助电流源网络的移相全桥变换器拓扑电路，设定该电路中的开关管电桥包括开关管Q1和开关管Q4以及开关管Q2和开关管Q3；
设定移相角
Figure BDA0002216454620000041
为Q1和Q2以及Q3和Q4之间导通间隔角；
传统的移相全桥PWM控制策略如图3所示：超前桥臂的两支开关管Q1和Q3交替导通，每支开关管各导通180°；滞后桥臂的两只开关管Q2和Q4交替导通，每支开关管各导通180°；
图3中Q1，Q2，Q3，Q4分别为4个开关管的驱动波形；ip为原边谐振电感电流波形；vAB为变压器原边电压波形；vrect为变压器副边电压经整流后电压波形。
本实施例中，每支开关管的占空比和对应开关管之间的移相角都作为控制变量加以控制，将对应开关管定义为Q1和Q2以及Q3和Q4，于是移相角即为Q1和Q2以及Q3和Q4之间导通间隔角；同时每支开关管的占空比可变。
本实施例采用TMS320F28035芯片的ePWM模块1产生两路PWM信号EPWM1A和EPWM1B以及ePWM模块2产生两路PWM信号EPWM2A和EPWM2B。用ePWM模块1产生的两路PWM信号EPWM1A和EPWM1B分别控制开关管Q1和Q3即是用ePWM模块1对超前桥臂进行控制；同理，用ePWM模块2产生的两路PWM信号EPWM2A和EPWM2B分别控制开关管Q2和Q4即是用ePWM模块2对滞后桥臂进行控制；
步骤2：检测车载电源当前工作环境下输出电流iL的大小，确定车载电源处于轻载工作条件下；
步骤3：检测车载电源当前工作环境下辅助电流源电流iLa的大小，计算iLa与给定的辅助电流源无功电流量的差值ΔiLa，通过辅助电流PID控制环路计算得到开关管占空比d；
步骤4：检测车载电源当前工作环境下输出电压vo与输出电流iL的大小，计算vo和iL分别与给定的输出电压以及输出电流的差值Δvo和ΔiL，通过输出电压电流双环PID控制环路计算得到超前桥臂与滞后桥臂的移相角
Figure BDA0002216454620000042
从而调节输出功率。
优选的，在执行步骤4时，当
Figure BDA0002216454620000043
时，即，移相角
Figure BDA0002216454620000044
小于Q1和Q2的导通角，输出电压的占空比d与Q1和Q2的导通角无关而仅受Q1和Q2之间的移相角
Figure BDA0002216454620000045
所调制，在控制辅助电流源的电流而对占空比d进行调制时不会对输出电压造成影响；
当
Figure BDA0002216454620000051
时，即，移相角
Figure BDA0002216454620000052
大于Q1和Q2的导通角，输出电压的占空比直接由Q1和Q2的导通角调制，而Q1和Q2之间的移相角
Figure BDA0002216454620000053
仅仅改变变压器副边正负电压方波之间的距离。
优选的，移相角
Figure BDA0002216454620000054
和占空比d需要满足以下条件：
Figure BDA0002216454620000055
如图6所示通过建立辅助电流源的小信号模型可以得到辅助电流的控制环路框图，图6中iLa,ref为辅助电感电流参考值；Gc(s)为辅助电流环PI控制传递函数；Hi(s)为辅助电流环采样传递函数；Gid(s)为辅助电流环占空比到辅助电流传递函数；1/VM是PWM脉宽调制的传递函数。
优选的，如图7所示输出电压以及电感电流作为反馈信号参与移相角
Figure BDA0002216454620000056
的计算和控制，无功电流量作为反馈信号参与开关管的占空比d的计算和控制，两个变量的控制环路相互独立且不存在耦合，图7中VO,ref为输出电压参考值；VO为当前输出电压值；iL为当前输出电感电流值；iL,ref为输出电感电流参考值；iLa为当前辅助电感电流值；iLa,ref为辅助电感电流参考值；
Figure BDA0002216454620000057
为对应开关管的移相角；d为开关管的占空比；Q1、Q2、Q3、Q4分别为4个开关管的驱动信号。
在使用移相全桥DC-DC变换器的传统控制系统中，每个桥臂开关管的占空比保持在50％恒定，通过改变两个桥臂对应开关管之间的相移来调节输出电压。对称的50％占空比产生完美的三角形电流，该三角形电流流过连接到每个桥臂开关管的辅助电路。改变占空比会在辅助电流源网络中产生具有不同峰值的偏斜三角电流，图2显示了不同占空比下的辅助电流源电流。因此可以根据负载条件控制ZVS电流量。在所提出的多变量控制技术中，两个桥臂对应开关管之间的相移和开关管的占空比同时被控制，使得输出电压被调节并且保证ZVS所需的无功电流被最小化。改变占空比几乎不会影响输出电压的平均值，只会使其不对称。
本发明所述的一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，解决了对辅助电流源无功电流量的控制，提高系统工作效率的技术问题，本发明解决了采用移相全桥拓扑的车载电源在使用辅助电流源实现轻负载条件下滞后桥臂实现ZVS所需无功电流量不受控制的问题，既利用辅助电流源电路实现了轻载条件下滞后桥臂的ZVS，又可以调节不同负载条件下辅助电流源无功电流量，提升了车载电源的工作效率，辅助电流源电流控制环路结构简单且与输出电压和电感电流的控制环路相对独立不存在互相干扰，可以同时实现对输出电压、电感电流以及辅助电流源电流的控制，在应用辅助电流源网络扩展实现ZVS的负载范围的同时能够调节输出功率并控制ZVS所需的无功电流量，降低了系统的损耗。

Claims (4)

1.一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立采用了辅助电流源网络的移相全桥变换器拓扑电路，设定该电路中的开关管电桥包括开关管Q1和开关管Q4以及开关管Q2和开关管Q3；
设定移相角
Figure FDA0002216454610000011
为Q1和Q2以及Q3和Q4之间导通间隔角；
步骤2：检测车载电源当前工作环境下输出电流iL的大小，确定车载电源处于轻载工作条件下；
步骤3：检测车载电源当前工作环境下辅助电流源电流iLa的大小，计算iLa与给定的辅助电流源无功电流量的差值ΔiLa，通过辅助电流PID控制环路计算得到开关管占空比d；
步骤4：检测车载电源当前工作环境下输出电压vo与输出电流iL的大小，计算vo和iL分别与给定的输出电压以及输出电流的差值Δvo和ΔiL，通过输出电压电流双环PID控制环路计算得到超前桥臂与滞后桥臂的移相角
Figure FDA0002216454610000012
从而调节输出功率。
2.如权利要求1所述的一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，其特征在于：在执行步骤4时，当
Figure FDA0002216454610000013
时，即，移相角小于Q1和Q2的导通角，输出电压的占空比d与Q1和Q2的导通角无关而仅受Q1和Q2之间的移相角
Figure FDA0002216454610000015
所调制，在控制辅助电流源的电流而对占空比d进行调制时不会对输出电压造成影响；
当
Figure FDA0002216454610000016
时，即，移相角大于Q1和Q2的导通角，输出电压的占空比直接由Q1和Q2的导通角调制，而Q1和Q2之间的移相角
Figure FDA0002216454610000018
仅仅改变变压器副边正负电压方波之间的距离。
3.如权利要求2所述的一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，其特征在于：移相角
Figure FDA0002216454610000019
和占空比d需要满足以下条件：
Figure FDA00022164546100000110
4.如权利要求1所述的一种基于多变量控制技术的车载电源PWM控制策略，其特征在于：输出电压以及电感电流作为反馈信号参与移相角
Figure FDA0002216454610000021
的计算和控制，无功电流量作为反馈信号参与开关管的占空比d的计算和控制。
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