一種電感電流同步控制和采樣DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

潘小剛，杜吉慶

一種電感電流同步控制和采樣DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

潘小剛，杜吉慶

（國充充電科技江蘇股份有限公司，江蘇揚州，225127）

雙向DC控制器的控制指標衡量主要包括采樣和控制兩個方面，本系統(tǒng)從電流采樣角度出發(fā)，設(shè)計一種電感電流同步控制和采樣轉(zhuǎn)換器，在控制周期的固定位置采集數(shù)據(jù)，從而達到穩(wěn)定采樣的目的，且控制方式采用集中式管理分布式控制方案，可以實現(xiàn)多模塊的并聯(lián)，為后期擴展留下基礎(chǔ)。尤其適用于DC轉(zhuǎn)換器中需要對電感電流進行采樣的裝置，該轉(zhuǎn)換器主要用來實現(xiàn)采樣和控制同步。

電感電流；同步控制；同步采樣；多模塊

0 引言

DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源的核心部分，因為末端電壓或者電流是經(jīng)過電容濾波之后的變量都存在一定的滯后性，而電感電流的變化是導(dǎo)致末端輸出改變的主要因素，因此，如果將DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的中間電感的電流變化添加到反饋中進行控制，將會顯著提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。隨著功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，電感不斷充放電，電感上的電流存在上升和下降的脈動，如果控制和采集不同步會導(dǎo)致采集到的電流為脈動波形峰谷值中的任意一種情況，影響系統(tǒng)的控制精度。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集和控制方案主要包括如下幾種：單MCU（Microprogrammed Control Unit，微程序控制器）實現(xiàn)采集和控制。單MCU采用外部AD，進行數(shù)據(jù)采集和控制。單MCU和單FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）采集和控制。

1 系統(tǒng)方案

對于系統(tǒng)的復(fù)雜度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度要求越來越高，因此，對于數(shù)據(jù)的采集和控制的要求也越來越高。數(shù)據(jù)采集指標主要有采樣精度和并行采樣通道數(shù)，控制指標包括穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。因此，系統(tǒng)采用外部AD和FPGA和MCU結(jié)合的方式進行采樣和控制。

在雙向DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路的母線電壓采樣裝置和負載電壓采樣裝置之間串聯(lián)母線電流采樣裝置、電感電流采樣裝置、濾波儲能電感和負載電流采樣裝置，在母線電壓采樣裝置和母線電流采樣裝置之間并聯(lián)第一濾波電容，在第一濾波電容和電感電流采樣裝置之間設(shè)置第一BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT1和第二BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT2，所述第一BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT1和第二BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT2的一端分別與電感電流采樣裝置的一端連接，第一BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT1的另一端連接在第一濾波電容和母線電流采樣裝置的共同端上，第二BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT2的另一端連接第一濾波電容的另一端，在負載電壓采樣裝置和負載電流采樣裝置之間并聯(lián)第二濾波電容。

電感電流同步控制和采樣DC轉(zhuǎn)換器，主要由雙向DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路和控制系統(tǒng)組成；雙向DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路包括母線電壓采樣裝置、負載電壓采樣裝置、母線電流采樣裝置、電感電流采樣裝置、濾波儲能電感、負載電流采樣裝置、第一濾波電容、第二濾波電容、第一BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT1和第二BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT2；控制系統(tǒng)主要由DSP芯片、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、設(shè)有雙口RAM的FPGA芯片組成；DSP芯片通過單向地址總線和FPGA芯片實現(xiàn)邏輯識別；DSP芯片還通過雙向數(shù)據(jù)總線和FPGA芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的信號輸出端通過數(shù)據(jù)總線與FPGA芯片連接；FPGA芯片通過IO引腳連接AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的采樣控制端；雙向DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路的母線電壓采樣裝置、負載電壓采樣裝置、母線電流采樣裝置、電感電流采樣裝置和負載電流采樣裝置的輸出端分別連接AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入端；FPGA芯片的輸出端分別連接雙向DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路的第一BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT1和第二BUCK拓撲電路開關(guān)IGBT2的控制端。

2 系統(tǒng)工作原理

FPGA芯片根據(jù)接收到的DSP芯片計算出的控制量信息，按照預(yù)設(shè)周期發(fā)出驅(qū)動波形，生成相應(yīng)占空比的PWM波形。控制BUCK拓撲電路開關(guān)器件G1按照固定周期T=Ton+Toff發(fā)出控制波形，其中高電平周期為Ton，低電平周期為Toff。

在雙向DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)中BUCK拓撲電路開關(guān)器件G1打開期間，也就是高電平Ton期間，電感電流CL在Ton期間上升，在BUCK拓撲電路開關(guān)器件G1關(guān)斷期間，也就是低電平Toff期間，電感電流CL在Toff期間下降，電感電流CL上升和下降的節(jié)點和BUCK拓撲電路開關(guān)器件G1的打開和關(guān)閉的節(jié)點完全對應(yīng)。

在BUCK拓撲電路開關(guān)器件G1打開期間，也就是高電平Ton期間，在時間節(jié)點Dton=0.5Ton的時間節(jié)點，F(xiàn)PGA芯片發(fā)出AD采樣驅(qū)動信號，鎖存此時的模擬量，并按照邏輯要求發(fā)出驅(qū)動電路進行轉(zhuǎn)換。FPGA芯片通過并行接口獲取數(shù)據(jù)后，存儲于內(nèi)部虛擬雙口RAM中，并與DSP芯片通過虛擬雙口RAM進行數(shù)據(jù)交互。DSP芯片得到采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過系列算法計算之后得到控制量，通過虛擬雙口RAM發(fā)送到FPGA芯片，重復(fù)以上步驟，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)可以達到的效果包括采樣穩(wěn)定性、控制穩(wěn)定性和控制快速性。采用的外部AD芯片為16位，針對參考電壓為5V的情況下，分辨率可以達到(5V/32767=)0.153mV，本系統(tǒng)采集的數(shù)字量波動范圍在正負6左右，所以采樣精度可以控制在±9.2mV范圍之內(nèi)。采用DC轉(zhuǎn)換器控制的開關(guān)電源，針對輸入電壓為700V情況，輸出電壓波動范圍可以控制在正負450mV范圍內(nèi)。在目標電壓或者負載動態(tài)變化時，輸出電壓可以在50個周期之內(nèi)跟蹤到目標值，針對6K控制頻率，響應(yīng)時間在83.4ms。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)在同步控制和采樣的模式下，可以實現(xiàn)對脈動電流的精確采樣，從而改變系統(tǒng)的控制精度。且系統(tǒng)采用分布式控制方式，可以實現(xiàn)多個模塊的并聯(lián)，從而實現(xiàn)模塊化的控制和擴展的需要。

[1]呂鳳.基于DSP及FPGA的級聯(lián)型多電平逆變器研究與設(shè)計[D].山東大學(xué),2010.

[2]潘海鴻,韋慶情,陳琳等.一種基于FPGA的多路信號同步采樣控制電路,CN 103592881 A[P].2014.

[3]劉勇,祝忠明,羅文淵等.基于FPGA+DSP的高精度數(shù)字電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2009(1):25-27.

An inductor current control and synchronous sampling DC converter design

Pan Xiaogang,Du Jiqing
(Guochong Chongdian Jiangsu science and technology Limited by Share Ltd , Yangzhou Jiangsu,225127)

The control index of bidirectional DC controller measure includes sampling and control two aspects of the system from the perspective of current sampling, the design of a synchronous inductor current control and sampling converter in a fixed position data acquisition control cycle, so as to achieve the purpose of stable sampling, and the control method of centralized management and distributed control scheme, parallel can achieve multi module expansion, leaving the foundation for later. Especially suitable for the DC converter need sampling device of inductor current, the converter is mainly used to achieve the synchronous sampling and control.

inductor current; synchronous control; synchronous sampling;module