斜坡補償在制動能量回收中的應用研究

劉小虎，呂兆瑞

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

斜坡補償在制動能量回收中的應用研究

劉小虎，呂兆瑞

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

針對制動能量回收中BUCK變換器的不穩定問題，從斜坡補償的基本原理出發，設計了一種斜坡補償電路，該電路采樣簡單的阻容電路和RS觸發器對主控芯片TMS320F2812的PWM信號進行了修正，實驗結果驗證了理論分析的正確性。

制動能量回收 BUCK變換器 斜坡補償

0 引言

制動能量回收技術是電動汽車節能減排的關鍵技術之一，制動能量回收的主電路一般采樣雙向DCDC的拓撲結構，而雙向DCDC的控制模式分為電壓控制和電流控制模式，其中電流控制模式因為其動態響應快，補償電路簡單，增益帶寬大，輸出電感小，易于均流等優點而被廣泛應用。當采用峰值電流模式并且占空比大于50%時存在如下問題：次諧波震蕩、系統開環不穩定以及由此引起的抗干擾能力差，特別是當電感中的紋波電流成分很小時，這種情況更為嚴重[1-2]。解決上述問題的方法就是引入斜坡補償電路。

目前對斜坡補償的研究集中在補償信號的產生及補償斜率的調整，文獻[3]設計了一種自適應斜坡補償電路，利用占空比和補償斜率之間的關系，實現斜率的自適應調整。文獻[4]設計了一種基于CMOS的斜坡發生器電路來實現斜坡補償，該方案避免了片內震蕩參數對斜坡補償的影響，并使斜坡線性度和溫度穩定性更好。上述方案都存在控制電路復雜，同時不能對主控芯片PWM的信號進行修正。本文采用了簡單的阻容電路和RS觸發器，實現了斜坡補償，實驗結果驗證了該方案的有效性。

1 斜坡補償原理分析

圖1是BUCK型DCDC變換器峰值電流控制控制原理圖。誤差比較器Error AMP對輸出電壓采樣信號Vfb與基準電壓Vref的差值進行放大，得到控制信號Ve。在一個開關周期內，Vfb的變化很小，因此可以近似認為Ve在一個開關周期保持不變。Ve與斜坡補償模塊slop產生的斜率為k的斜坡電壓Vslop相減，產生一個斜率為-k的周期性控制電壓VΣ。電流采樣放大器對開關電流進行采樣并放大，得到電流采樣信號Vs，輸入到PWM比較器正向端。當電流上升，Vs=VΣ時，PWM比較器翻轉輸出高電平，關斷功率管，電感電流線性下降，直到下一個時鐘周期到來。可以得出結論：在一個時鐘周期內，控制電壓VΣ為本周期內的電流設定了最大值，因此也稱為峰值電流控制模式。

在峰值電流控制模式下，如果電感電流連續，在每個控制周期，電感電流上升和下降的波形見圖2：

圖2 CCM模式下電感電流波形

由圖2可得：

可見，要使系統穩定，應有ΔIL＜ΔI0，也就是D＜0.5。當D＞0.5時，電感電流IL波形變化量越來越大，系統進入不穩定狀態。為了解決D＞0.5時工作在CCM模式下的峰值電流變換器的不穩定性問題，可以引入斜坡補償，見圖3。

根據圖3的波形可以看出，通過引入斜坡-m，可以得到：

經過n個周期后，0IΔ引起的電流誤差nIΔ為：

圖3 補償后波形

如果能保證

那么電流誤差將逐漸衰減到0。根據式（1），消去m1，可以得到加入斜坡補償后，保證系統穩定的條件：

式（5）說明了峰值電流控制斜坡補償和電源系統穩定性之間的關系：①系統未加入斜坡補償，即m=0時，穩定的條件是占空比必須小于50%；②m是D的函數，D越大，所需m也越大。

2 斜坡補償電路實現

下面給出一個基于RC諧振方式的斜坡補償電路的實現，其原理圖見圖4：

圖4 斜坡補償電路原理圖

圖4中，Q1，R3，C1構成充電回路，R4，C1，Q2構成放電回路，該斜坡信號與電流采樣信號疊加后與參考值進行比較，最后經過LM111比較器輸出后對TMS320F2812信號進行校正，該電路的最大特點是斜坡的斜率隨占空比自動調整，克服了斜坡補償在固定斜率補償時可能出現的問題。

3 實驗驗證

在某制動能量回收系統中，直流發電機組帶直流電動機工作。當設備制動時，直流電動機改為發電模式，要求制動能量回收系統能夠將制動時的電能貯存在蓄電池中，而當直流電動機正常運行時，蓄電池放電回饋到直流電動機。為了完成該制動能量回收的任務，采用了并聯雙向DCDC在直流母線側，同時為了解決直流母線電壓大范圍波動的難題，采用了兩級DCDC串聯工作的方式。具體來說，當對蓄電池充電時，先用BOOST電路對直流母線電壓升壓到1600 V，然后再用BUCK電路對蓄電池充電。反過來，當蓄電池回饋能量時，先BOOST電路對蓄電池電壓升壓到1600 V，然后用BUCK電路降壓到直流母線。圖5為蓄電池回饋時的電壓電流波形。

圖5從上之下分別為：蓄電池電壓，蓄電池回饋電流，PWM波形，輸出電壓，從圖中可以看出，當占空比大于50%時，系統能夠穩定的運行。

4 結論

本文從基本的斜坡補償原理出發，結合制動能量回收系統的具體應用特點，設計了一種基于RC諧振方式的斜坡補償電路，該斜坡補償電路能夠自動隨占空比調整斜率，實驗結果驗證了該方案的有效性。

圖5 實驗波形

[1] 陳富吉, 來新泉, 李玉山.一種自適應斜坡補償電路的設計與實現[J]. 半導體學報, 2008, 27(4): 494.

[2] 李帥, 張志勇, 趙武等.一種用于BUCK DCDC轉換器的自適應斜坡補償電路[J]. 電子技術應用, 2010: 51-53.

[3] 田錦明, 王經卓, 曹雙貴等.峰值電流模式變換器自適應斜坡補償電路設計[J].電子器件, 2008, 31(2): 480-483.

[4] 劉樹林, 劉健, 鐘久明. 峰值電流控制變換器斜坡補償電路的優化設計[J]. 電力電子技術, 2005, 39(5): 78-80.

Slope Compensation Circuit for Regenerative Brake System

Liu Xiaohu, Lyu Zhaorui
( School of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Buck DC-DC converter has the problems such as instability in the application of regeneration brake system. According to the principle of slope compensation, simple slope compensation circuit is carried out for peak current mode converter. The slope compensation circuit is composed of one resistor and one capacitor in series to rectify PWM duty from control chip TMS320F2812. The experimental results show its validity and feasibility.

Buck DCDC; regeneration brake; slope compensation

TN432

A

1003-4862（2015）06-0045-03

2015-03-26

國家科技支撐計劃“大型機械能量回收與利用關鍵技術開發與應用”( 2014AA04B00)；海軍工程大學2015大學自然科學基金(HGDQNEQJJ15011)

劉小虎 （1976-），男，博士。研究方向：逆變技術及其應用。