斜坡補(bǔ)償在制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究

劉小虎，呂兆瑞

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

斜坡補(bǔ)償在制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究

劉小虎，呂兆瑞

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

針對(duì)制動(dòng)能量回收中BUCK變換器的不穩(wěn)定問題，從斜坡補(bǔ)償?shù)幕驹沓霭l(fā)，設(shè)計(jì)了一種斜坡補(bǔ)償電路，該電路采樣簡(jiǎn)單的阻容電路和RS觸發(fā)器對(duì)主控芯片TMS320F2812的PWM信號(hào)進(jìn)行了修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

制動(dòng)能量回收 BUCK變換器 斜坡補(bǔ)償

0 引言

制動(dòng)能量回收技術(shù)是電動(dòng)汽車節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，制動(dòng)能量回收的主電路一般采樣雙向DCDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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?yàn)槠鋭?dòng)態(tài)響應(yīng)快，補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單，增益帶寬大，輸出電感小，易于均流等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。當(dāng)采用峰值電流模式并且占空比大于50%時(shí)存在如下問題：次諧波震蕩、系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定以及由此引起的抗干擾能力差，特別是當(dāng)電感中的紋波電流成分很小時(shí)，這種情況更為嚴(yán)重[1-2]。解決上述問題的方法就是引入斜坡補(bǔ)償電路。

目前對(duì)斜坡補(bǔ)償?shù)难芯考性谘a(bǔ)償信號(hào)的產(chǎn)生及補(bǔ)償斜率的調(diào)整，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，利用占空比和補(bǔ)償斜率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)斜率的自適應(yīng)調(diào)整。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于CMOS的斜坡發(fā)生器電路來實(shí)現(xiàn)斜坡補(bǔ)償，該方案避免了片內(nèi)震蕩參數(shù)對(duì)斜坡補(bǔ)償?shù)挠绊懀⑹剐逼戮€性度和溫度穩(wěn)定性更好。上述方案都存在控制電路復(fù)雜，同時(shí)不能對(duì)主控芯片PWM的信號(hào)進(jìn)行修正。本文采用了簡(jiǎn)單的阻容電路和RS觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了斜坡補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。

1 斜坡補(bǔ)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(duì)輸出電壓采樣信號(hào)Vfb與基準(zhǔn)電壓Vref的差值進(jìn)行放大，得到控制信號(hào)Ve。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，Vfb的變化很小，因此可以近似認(rèn)為Ve在一個(gè)開關(guān)周期保持不變。Ve與斜坡補(bǔ)償模塊slop產(chǎn)生的斜率為k的斜坡電壓Vslop相減，產(chǎn)生一個(gè)斜率為-k的周期性控制電壓VΣ。電流采樣放大器對(duì)開關(guān)電流進(jìn)行采樣并放大，得到電流采樣信號(hào)Vs，輸入到PWM比較器正向端。當(dāng)電流上升，Vs=VΣ時(shí)，PWM比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，關(guān)斷功率管，電感電流線性下降，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期到來。可以得出結(jié)論：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，控制電壓VΣ為本周期內(nèi)的電流設(shè)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(xù)，在每個(gè)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(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有ΔIL＜ΔI0，也就是D＜0.5。當(dāng)D＞0.5時(shí)，電感電流IL波形變化量越來越大，系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。為了解決D＞0.5時(shí)工作在CCM模式下的峰值電流變換器的不穩(wěn)定性問題，可以引入斜坡補(bǔ)償，見圖3。

根據(jù)圖3的波形可以看出，通過引入斜坡-m，可以得到：

經(jīng)過n個(gè)周期后，0IΔ引起的電流誤差nIΔ為：

圖3 補(bǔ)償后波形

如果能保證

那么電流誤差將逐漸衰減到0。根據(jù)式（1），消去m1，可以得到加入斜坡補(bǔ)償后，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件：

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

2 斜坡補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)

下面給出一個(gè)基于RC諧振方式的斜坡補(bǔ)償電路的實(shí)現(xiàn)，其原理圖見圖4：

圖4 斜坡補(bǔ)償電路原理圖

圖4中，Q1，R3，C1構(gòu)成充電回路，R4，C1，Q2構(gòu)成放電回路，該斜坡信號(hào)與電流采樣信號(hào)疊加后與參考值進(jìn)行比較，最后經(jīng)過LM111比較器輸出后對(duì)TMS320F2812信號(hào)進(jìn)行校正，該電路的最大特點(diǎn)是斜坡的斜率隨占空比自動(dòng)調(diào)整，克服了斜坡補(bǔ)償在固定斜率補(bǔ)償時(shí)可能出現(xiàn)的問題。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在某制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中，直流發(fā)電機(jī)組帶直流電動(dòng)機(jī)工作。當(dāng)設(shè)備制動(dòng)時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)改為發(fā)電模式，要求制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠?qū)⒅苿?dòng)時(shí)的電能貯存在蓄電池中，而當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池放電回饋到直流電動(dòng)機(jī)。為了完成該制動(dòng)能量回收的任務(wù)，采用了并聯(lián)雙向DCDC在直流母線側(cè)，同時(shí)為了解決直流母線電壓大范圍波動(dòng)的難題，采用了兩級(jí)DCDC串聯(lián)工作的方式。具體來說，當(dāng)對(duì)蓄電池充電時(shí)，先用BOOST電路對(duì)直流母線電壓升壓到1600 V，然后再用BUCK電路對(duì)蓄電池充電。反過來，當(dāng)蓄電池回饋能量時(shí)，先BOOST電路對(duì)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(shí)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(dāng)占空比大于50%時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文從基本的斜坡補(bǔ)償原理出發(fā)，結(jié)合制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的具體應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于RC諧振方式的斜坡補(bǔ)償電路，該斜坡補(bǔ)償電路能夠自動(dòng)隨占空比調(diào)整斜率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

[1] 陳富吉, 來新泉, 李玉山.一種自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào), 2008, 27(4): 494.

[2] 李帥, 張志勇, 趙武等.一種用于BUCK DCDC轉(zhuǎn)換器的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2010: 51-53.

[3] 田錦明, 王經(jīng)卓, 曹雙貴等.峰值電流模式變換器自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[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(bǔ)償電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù), 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(guó)家科技支撐計(jì)劃“大型機(jī)械能量回收與利用關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”( 2014AA04B00)；海軍工程大學(xué)2015大學(xué)自然科學(xué)基金(HGDQNEQJJ15011)

劉小虎 （1976-），男，博士。研究方向：逆變技術(shù)及其應(yīng)用。