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Buck變換器電機(jī)控制系統(tǒng)

作者: 時(shí)間:2012-10-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  按變換功能分,DC-DC分為兩種:一種是電壓-電壓,一種是電流-電流。磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速要求是直流側(cè)電壓隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而改變,因此這里采用電壓ˉ電壓的降壓變換器。若需擴(kuò)展調(diào)速范圍,則可采用 ̄Boost或Cuk變換器。

  變換器、BuckˉBoost變換器和Cuk變換器工作中都存在著兩種導(dǎo)電模式,即連續(xù)導(dǎo)電模式和不連續(xù)導(dǎo)電模式。連續(xù)導(dǎo)電模式是指在一個(gè)周期中能量傳遞電感電流或能量傳遞電容電壓總是大于零,即電感電流或電容電壓是連續(xù)導(dǎo)電的;不連續(xù)導(dǎo)電模式是指在一個(gè)周期中電感電流或電容電壓有一段時(shí)間為零,即它們?cè)谝粋€(gè)周期中導(dǎo)電是不連續(xù)的。本節(jié)在后續(xù)的介紹中只討論電感電流連續(xù)導(dǎo)電的情況。

  Buck變換器是PWM型DC-DC變換器中最簡(jiǎn)單,也是最基本的一種,其電路拓?fù)淙鐖D1所示。



  其工作原理是當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),二極管VD截止,其等效電路如圖2所示。電源Ui通過(guò)能量傳遞電感乙向負(fù)載R送入能量,同時(shí)使電感L能量增加;當(dāng)VT截止時(shí),電感釋放能量使續(xù)流二極管VD導(dǎo)通,其等效電路如圖3所示,在此階段,電感乙把前一階段增加的能量向負(fù)載放出,使負(fù)載電壓極性不變并且比較平直。c是濾波電容,它使輸出電壓的紋波進(jìn)一步減小。從原理上說(shuō),此電容可去掉,只要電感L足夠大,輸出電壓就可較為平直,但加上不大的電容,既可使紋波顯著減小,還可減小電感量。



  下面對(duì)Buck變換器控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,從而求出該變換器的輸入輸出穩(wěn)態(tài)電壓比、電流變比和電感電流紋波等特性。

  為分析穩(wěn)態(tài)特性、簡(jiǎn)化推導(dǎo)公式的過(guò)程,作如下幾點(diǎn)假定:

  1)開(kāi)關(guān)管、二極管均是理想元件,也就是指它們導(dǎo)通時(shí)電壓為零,截止時(shí)電流為零,導(dǎo)通與截止的轉(zhuǎn)換是瞬時(shí)完成的。

  2)電感、電容均為理想的,即 電感工作在線性區(qū)而未飽和,寄生電阻為零,而電容的等效串聯(lián)電阻為零。

  3)輸出電壓申的紋波電壓與輸出電壓的比值小到允許忽略。

  1.連續(xù)導(dǎo)電模式

  在連續(xù)導(dǎo)電模式下,斬波器電感電流連續(xù),電路分為兩個(gè)狀態(tài),電路波形如圖4所示。

  當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí),連續(xù)導(dǎo)電模式下電感中電流為



  當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),電路中主二極管、濾波電容、濾波電感組成回路。此時(shí)的電感電流為


  2.不連續(xù)導(dǎo)電模式

  Buck開(kāi)關(guān)電路每次開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻,電路電流正好為零,此時(shí)即為不連續(xù)導(dǎo)電模式,其電路波形如圖5所示。

  連續(xù)模式和斷續(xù)模式指的流過(guò)電感中的電流有無(wú)中斷。在斷式模式變換器中,一個(gè)周期的某些時(shí)刻,流過(guò)電感的電流將為零。兩種模式的電路狀態(tài)也不相同,在連續(xù)模式下,最輕負(fù)載在所有時(shí)間段里,電路中一直都有電流流過(guò)。

  式(4-18)為電路斷續(xù)與連續(xù)的判別基本公式。其中,T為開(kāi)關(guān)周期;D為占空比;L為濾波電感;VOUT為輸出電壓;ILOAD,MIN為最小輸出電流,并假設(shè)整流器的正向壓降要比輸出電壓小得多。

  無(wú)論電路工作在連續(xù)模式還是斷續(xù)模式下,關(guān)鍵是不要讓變換器總處在負(fù)載變化的電路中,使其一會(huì)兒工作在連續(xù)模式,一會(huì)兒工作在斷續(xù)模式,這樣會(huì)使電路的穩(wěn)定性變得較差。由式(4-18),其相類似的解釋為負(fù)載中的電流平均值大于電感中的電流平均值,即


  由式(4-19)和式(4-20)可知,基本Buck變換器連續(xù)導(dǎo)電與不連續(xù)導(dǎo)電

模式的臨界條件為

式中,D為占空比;盂為開(kāi)關(guān)頻率;R為負(fù)載電阻。因此,變換器若要工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下,必須滿足式(4-21),則乙的最小值為

  對(duì)于LC濾波而言,負(fù)載與濾波電容C并聯(lián),高頻狀況下電感中大部分諧波電流都被C吸收了;L不能選的太小,否則會(huì)使電感電流脈動(dòng)急劇增大,流過(guò)開(kāi)關(guān)管的最大電流也會(huì)增加,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)惡化。由此可知,L除了起濾波作用外,還有限制開(kāi)關(guān)電流的作用。穩(wěn)態(tài)時(shí),乙的值決定了電感電流峰-峰值(也即電感電流脈動(dòng))。假設(shè)允許的最大電感電流脈動(dòng)為Δi,則有

  因此,乙的值不僅要滿足變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的要求,還要滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中電感電流脈動(dòng)。

  3.輸出濾波電容C的基本計(jì)算

  根據(jù)輸出電壓紋波分量ΔUo和其他給定的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),C的容量可以由下式求出:

  開(kāi)關(guān)電源的輸出濾波器是針對(duì)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì),截止頻率一般取開(kāi)關(guān)頻率的1/10~1/100。由于對(duì)高速電機(jī)穩(wěn)速在30000r/min時(shí),要求有高精度和快響應(yīng)速度,這就對(duì)Buck環(huán)節(jié)輸出電壓提出了很高的要求,但對(duì)Buck環(huán)節(jié)輸出電壓的控制受其截至頻率的限制,因此希望其有較高的截止頻率。

式中,f為截止頻率;L為Buck環(huán)節(jié)濾波電感;C為Buck環(huán)節(jié)電容。

  由式(4-11)可知為滿足截止頻率要求,電容、電感本應(yīng)盡量減小,但由于本文所述電機(jī)電感量很小(僅有十幾微亨),如果Buck環(huán)節(jié)電感過(guò)小,繞組中波形振蕩將較為嚴(yán)重。綜合公式以上各式的計(jì)算與實(shí)際調(diào)試,并且希望整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)能夠有較快的響應(yīng)速度,因此對(duì)于不同的電路參數(shù),運(yùn)用動(dòng)態(tài)分析儀求得其相應(yīng)的傳遞函數(shù)。

  當(dāng)的Buck電路中,電感取值L=1.2mH、電容取值C=5.7μF時(shí),利用動(dòng)態(tài)分析儀得到相應(yīng)的響應(yīng)曲線,經(jīng)過(guò)擬合后波形圖如圖6所示。



  在進(jìn)行高速電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制時(shí),如果能夠建立系統(tǒng)的相關(guān)模型,將對(duì)控制律設(shè)計(jì)控制參數(shù)選取提供有力依據(jù),這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要步驟之一。

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