?整流濾波 - 基于PEMFC的控制系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)分析

　　(1)輸出濾波電感的設(shè)計(jì)。輸出濾波電感中的電流除存在直流分量外，并且疊加一個(gè)較小的交流分量。輸出濾波電感的設(shè)計(jì)一般要求電感電流的最大脈動(dòng)量為最大輸出電流的10%～20%。

　　對(duì)于輸出電壓Vo=5 V，輸出電流Iomax=1 A，最大占空比Dmax=0.63。

　　代入這些值則得：L=462.5μH。

　　對(duì)于輸出電壓Vo=24 V，重復(fù)上面的計(jì)算可得：L=0.004 4 H。

　　(2)輸出濾波電容的選擇。輸出濾波電容上的紋波電流：

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　　根據(jù)上一節(jié)得到的數(shù)據(jù)，將ISRMS1=1.712 A，ISRMS2=0.856 A分別代入上式中，可求得Iri11.39 A，Iri2=0.695 A。濾波電容在20 kHz時(shí)的紋波電流應(yīng)大于等于Iri。

　　輸出的紋波電壓由式Vri=IsprO決定。濾波電容C2，C3，C4選用330μF/50 V，C5選用100 μF/25 V。

　　3 控制電路的設(shè)計(jì)

　　3.1 PWM控制電路

　　這里以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320LF2407為核心，設(shè)計(jì)了全數(shù)字PWM控制系統(tǒng)，如圖3所示，具有更好的實(shí)時(shí)性，能很好的適應(yīng)PEMFC發(fā)電機(jī)的輸出特性。

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　　輸出電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器隔離采樣后送到DSP的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這些值在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列數(shù)字PI控制后，給全比較單元產(chǎn)生一個(gè)新的比較值，該比較值將在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期改變PWM波形的占空比，這樣就達(dá)到了控制輸出電壓為所要求值的目的。

　　DSP中并沒(méi)有自動(dòng)生成PWM信號(hào)的功能，要通過(guò)編程的方法實(shí)現(xiàn)它，通過(guò)一個(gè)單比較1的輸出腳PWM1實(shí)現(xiàn)所需要的PWM信號(hào)，下面具體介紹這種方法。單比較單元有一個(gè)比較寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)比較值，當(dāng)計(jì)數(shù)器于比較值相等時(shí)，相應(yīng)的PWM輸出引腳電平發(fā)生跳變，怎樣跳變?nèi)Q于PWM引腳的工作方式。

　　PWM輸出腳工作方式：有效高方式，有效低方式等。在定時(shí)器1工作在連續(xù)增減計(jì)數(shù)時(shí)，電平的為：輸出腳若設(shè)置為有效高，計(jì)數(shù)器為零時(shí)，輸出腳電平為零，計(jì)數(shù)器開(kāi)始增計(jì)數(shù)，當(dāng)與比較值相等時(shí)，這時(shí)輸出腳為有效狀態(tài)，電平變高。計(jì)數(shù)器到達(dá)周期值后，開(kāi)始減計(jì)數(shù)，當(dāng)減計(jì)數(shù)到比較值時(shí)，輸出腳為無(wú)效狀態(tài)，電平變低。輸出腳若設(shè)置為有效低。則此時(shí)的電平變化與有效高狀態(tài)正好相反。本文采用有效高工作方式。

　　T1CNT為計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值，T1PER為計(jì)數(shù)器l的周期值。當(dāng)T1CNT的值增加到與T1PER相等時(shí)，計(jì)數(shù)器1開(kāi)始減計(jì)數(shù)，當(dāng)T1CNT的值減到0時(shí)，計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器值隨時(shí)間變化如圖4所示。在計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與各比較單元的比較寄存器值(SCMPRl)相等時(shí)，輸出腳電平發(fā)生變化。波形圖如圖4所示，從圖中可以看出，計(jì)數(shù)器值通過(guò)與實(shí)時(shí)變化的比較寄存器值(SCMPR1)相比較，可以調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，進(jìn)而改變功率管的占空比，達(dá)到對(duì)DC/DC變換器輸出電壓的實(shí)時(shí)控制。

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　　3.2 隔離采樣電路的設(shè)計(jì)

　　為了保證電路的可靠運(yùn)行，電壓的采樣最好能夠與控制電路隔離，這樣能夠避免主電路中大電流流過(guò)地線時(shí)壓降帶來(lái)的干擾。在本機(jī)中，通過(guò)電壓霍爾元件實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的隔離?；魻栯妷涸脑硎牵簩⒋箅娮璐穗妷杭盎魻栐脑?，得到原邊電流，該電流能在副邊產(chǎn)生一定比例的副邊電流，副邊電流流過(guò)電阻產(chǎn)生的壓降能夠反應(yīng)主電路的電壓值。所設(shè)計(jì)的DC/DC變換器的輸出直流電壓的采樣電路如圖5所示。

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　　從圖5中的參數(shù)可以看出：

　　UADC1=Uo/10

　　經(jīng)過(guò)霍爾元件的隔離與運(yùn)放的處理后，送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換電壓與主電路隔離，提高了整個(gè)電路的抗干擾能力。

　　3.3 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇

　　該DC/DC變換器的控制電路采用的是電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制，將Gv(s)設(shè)計(jì)成PI控制器，它的參數(shù)選擇在很大程度上決定了DC/DC變換器的性能，因此它們的選擇在機(jī)器的研發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要。

　　在研制該機(jī)的過(guò)程中，本文是進(jìn)行參數(shù)選擇為：先選擇主電路的參數(shù)及采樣電路的參數(shù)，并且在Matlab中建立該DC/DC變換器的模型，再根據(jù)大致原則，對(duì)PI的參數(shù)先進(jìn)行大致的估計(jì)，不斷對(duì)PI的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。得到滿意的結(jié)果后，將該參數(shù)編程到DSP中，實(shí)際運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，再稍微調(diào)整。最后得到的結(jié)果如下：

　　Gv(s)=5+20/s

　　在該參數(shù)下，用Matlab仿真后得到的滿載時(shí)結(jié)果如圖6所示。

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　　從仿真波形可以看出，在該P(yáng)I參數(shù)設(shè)置下，所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓基本上達(dá)到了所要求的5 V。