恒流充电电源控制策略的研究

姜 静,潘琳琳,李宏达,尹 伯

(1.沈阳理工大学 a.自动化与电气工程学院;b.装备工程学院, 沈阳 110159；2.清华大学 机械系,北京 100084)

恒流充电电源控制策略的研究

姜 静1a,潘琳琳1a,李宏达1b,2,尹 伯1a

(1.沈阳理工大学 a.自动化与电气工程学院;b.装备工程学院, 沈阳 110159；2.清华大学 机械系,北京 100084)

研制出一套高压恒流充电电源，该电源具有体积小，成本低等优点。设计指标是平均充电电流为0.34A，充电电压为60kV，功率为20kW。利用Pspice仿真软件对原系统进行仿真分析，针对原系统平均充电电流难以保持稳定、影响系统输出性能的缺点，提出模糊PI充电控制策略，使得电流稳定输出在0.34A，达到稳定时间为15ms，超调量为3%。最后，通过实验验证可得，加入模糊PI充电控制方法的仿真系统稳定性有所提高，符合实际系统要求。

恒流充电电源；控制策略；模糊PI

高功率脉冲技术是将长时间内储存的能量，以电能的形式经过快速压缩、转换成单脉冲或重复频率短脉冲，并有效地释放给负载[1-5]，主要应用于污水处理、结石破碎、混凝土破碎等方面[6-9]。随着现代科技的快速发展，基于Marx发生器高压脉冲破岩技术成为当前研究的热点之一，高压脉冲放电破岩装置主要由充电电源、触发电源、Marx发生器、输出电极等部分组成[10-12]。本文主要研究高压电容器充电电源，针对高压脉冲电容器充电电源充电电流超调大、充电精度低、稳定性差等问题，提出可靠的充电控制策略，有效的提高了电源充电精度、稳定性以及充电效率。

1 恒流充电电源原理分析

高压恒流充电电源的主电路采用串联谐振变换器拓扑结构，其实物图及主体结构图分别如图1、图2所示，电源主要由低压部分和高压两部分组成。其中低压部分包括逆变器电路、保护电路、驱动电路等；高压部分包括高压变压器、高压电容和整流器等。恒流充电电源充电的工作原理是输入三相交流电压经过断路器开关输出到滤波整流电路中，再经过滤波器滤去干扰信号和整流器整流后提供较为稳定的直流电压输入到全桥逆变电路中，全桥逆变电路输出电压经过高压变压器升压后输出，而此时电流值依然保持恒定，输出的电流值经过测试后，再经过光电耦合器输入到控制电路中，控制电路得到的电流值与系统的给定电流值相比较，利用PWM控制器调节占空比的方法来调节电流，从而达到恒流充电目的。

图1 高压恒流充电电源实物图

2 恒流充电电源系统仿真

利用Pspice仿真软件对全桥串联谐振充电电路进行建模仿真，图3为系统整体电路仿真模型图。Lr为串联谐振电感；Cr为串联谐振电容；C为充电电容即为等效负载；Uin为输入直流电源；设开关频率fs为20kHz；由于该电源处于断续电流工作模式，取谐振频率fr为42kHz。利用式(1)和式(2)计算可得[13]:谐振电感为296.44μH；谐振电容为0.066μF；负载电容为1.2mF。

图2 高压开恒流充电电源主体结构图

图3 系统整体仿真电路模型

(1)

(2)

其中谐振电流、单个周期谐振电流、充电电流及充电电压波形图分别如图4～图7所示。

图4 谐振电流波形

从图4～图7可以看出谐振电流在t=250ms 处达到了极大值，且整体具有良好的线性度，使得充电电流的平均值恒定；从图5中可以看出单个谐振周期的电流波形，证明了串联谐振恒流充电电路工作在电流断续模式下；从图6中可以看出充电电流在经过50ms的暂态过程后暂时稳定在340mA，且工作一段时间后充电电流的稳态值略小于指令值，这主要是由于系统结构较为复杂、控制存在"不及时性"；从图7中可以看出负载电容上的电压基本呈线性上升，但震荡较大。

图5 单个谐振周期谐振电流波形

图6 充电电流平均值波形

图7 负载充电电压波形

3 模糊PI充电控制方法的设计

根据高压恒流充电电源系统仿真可知，充电电流平均值能够暂时稳定在340mA，但是系统开始运行时会产生振荡，直接影响系统的输出性能、开关器件的寿命、并增加了系统运行成本，针对原系统的缺点，通过理论分析提出了模糊PI充电控制策略。

3.1 PI模糊控制器工作原理

模糊PI控制系统的整体框图如图8所示。在PI模糊控制系统中，设计的关键是PI模糊控制器，主要包括模糊化、模糊推理、解模糊化。

图8 模糊PI控制系统框图

本文选取三角形隶属度函数，设输出电流设定值与检测值之间的差值为e，差值变化率为ec，输出控制量为U。其中输出电流误差e、误差变化率ec以及输出量U的基本论域为-5%～5%，则量化论域为[-5,5]，将模糊集合划分为NB，NS，ZO，PS，PB。其中，NB为负大，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PB为正大。

根据高压恒流充电电源的特性以及控制经验，建立模糊规则应遵循如下要求：

(1)考虑输出电流误差e<0的情况，当e值为负大时，若误差变化率ec值也为负时，这时误差e值有增大的趋势，为了消除并抑制误差e值变大，因此取输出控制量U为正大。

(2)当输出电流误差e<0而误差变化ec>0时，系统本身具有减少误差的趋势，因此为了尽快消除误差而又不超调，应取输出控制量U较小值。

(3)当输出电流误差e值为负小时，系统接近稳态，若误差变化ec<0时，控制量U的变化应取正值，从而抑制误差往负方向变化；若误差变化ec>0时，系统本身具有消除负小误差的趋势，因此选取输出控制量U为正小。

根据恒流充电电源输出电流误差以及误差变化率的关联性，以及两者对电源系统本身的影响程度，同时结合实验，本文所用的模糊PI控制规则如表1所示。

由模糊规则推理结果能够获得输出模糊集合，但是控制每一个输出量均要求为精确值，所以必须在输出模糊集中解出一个最能代表模糊集的清晰点，以上是解模糊化部分的主要任务。解模糊化原则是要用小的计算量，目的是为了在应用中实时控制，算法主要包括TSK法、中心平均法，最大值法以及重心法。其中重心法与其他方法相比，具有更平滑的输出推理控制，即输出信号会随着输入信号的微弱变化而变化，所以本文采用重心法对模糊PI控制方法的输出量进行判决，针对U论域中的每一个元素，都存在如表1所示的规则表。

表1 模糊控制规则表

当U中有m个输出量化技术的离散域情况，则：

(3)

式中:xk∈[-5,5]中的元素;μk(xk)是xk隶属度函数值;KU是指与模糊控制规则所对应的控制充电控制器输出量U的参数值。

3.2 模糊PI控制方法仿真分析

本文设计的恒流充电电源模糊PI充电控制方法结构图如图9所示。模糊控制器和PI控制器采用串联方式，其控制本质是采用模糊控制技术产生变化的PI充电控制器参数Kp和KI，有效的提高恒流充电电源输出电流控制精度。

图9 模糊PI充电控制方法结构图

由系统整体仿真电路图3可知：在所有元件为理想状态下，谐振电感、谐振电容及负载电容(这里设负载电容为R)组成LC振荡电路，用动态方程进行描述，并求出系统传递函数：

(4)

根据模糊PI控制方法结构图以及实际电路原理图，在MatlabSimulink环境下搭建仿真模型如图10所示，根据系统性能及经验值可选取e为1，ec为0.4。利用模糊PI仿真模型，仿真出平均充电电流波形如图11、图12所示，在图11中，开关频率为18kHz，在启动时，充电电流的超调量为16.7%，经过20ms后电流值稳定在300mA；在图12中，开关频率为20kHz，在启动时充电电流超调为3%，经过15ms后电流值稳定在340mA；将两图进行对比之后发现，开关频率为20kHz的充电电流仿真波形，超调量较小，系统达到稳定的时间较短，充电效率高，具有好的恒流特性，验证了开关频率选取的正确性。综上可得，加入模糊PI控制方法的系统，具有良好的稳定性，能够达到线性充电目的，符合实际应用系统要求。

4 高压电容充电实验

为了验证恒流充电电源对高压电容充电的可行性，对高压电容进行充电实验。搭建实验平台示意图和部分实物图分别如图13、图14所示。实验平台主要由恒流充电电源、高压电容、高压电缆、分压器和示波器等器件组成。其中高压电容器耐压值为100kV，电容量为0.12μF；分压器分压比为1∶100000，衰减比为1∶0.5，示波器采用Tektronicx DPO4104B，将电容两端与高压恒流充电电源正负极相连接，启动开关后，高压恒流充电电源向电容充电，充电一段时间后，测量可得电容上的电流与电压波形分别如图15、16所示。从图15可知充电电流没有衰减，充电时间为15ms，电流值稳定在0.34A，与图12的仿真结果基本一致，符合实际系统要求；从图16中可知电压线性充电至60kV，验证了充电的恒流特性。高压电容充电实验验证了仿真结果的可行性，证明了充电电源具有良好的线性充电性能，能够满足实际系统要求。

图10 模糊PI仿真模型图

图11 平均充电电流仿真结果(开关频率为18kHz)

图12 平均充电电流仿真结果(开关频率为20kHz)

图13 高压电容充电示意图

图14 电容充电实验平台局部照片

图15 电容平均充电电流波形图

图16 电容充电电压波形图

5 结论

本文主要针对高压恒流充电电源控制策略进行研究，首先对恒流充电电源的工作原理进行分析，随后对系统进行仿真分析，发现原系统的充电电流在经过50ms的暂态过程后暂时稳定在340mA，且工作一段时间后充电电流平均值难以保持稳定，原控制系统相当于开环，难以满足其恒流特性以及系统整体性能要求，因此模糊PI充电控制方法由此提出。利用Matlab/Simulink仿真软件对模糊PI充电控制方法进行建模仿真分析得出，开关频率为20kHz时，系统具有良好的稳定性，且在系统运行过程中，充电电流超调为3%，经过15ms后电流值稳定在340mA。与原系统相比，超调量有明显减小，系统发生工作状态改变时输出性能更少受到影响，提高了系统工作的稳定性。最后通过高压电容充电实验验证了充电电源具有良好的线性充电性能，能够满足实际系统要求。

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(责任编辑：马金发)

ResearchonControlStrategyofConstantCurrentChargingPowerSupply

JIANG Jing1,PAN Linlin1,LI Hongda1,2,YIN Bo1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China; 2.Tsinghua University,Beijing 100084,China)

High voltage constant current charging power supply is developed,with some advantages of small volume,low cost,etc.Its design index is that the average charging current is 0.34A,the charging voltage is 60kV,the power is 20kW.Simulation analysis of the original system is used by Pspice simulation software,in the light of the average charging current of original system is difficult to maintain stability and disadvantages of affecting the output performance.Fuzzy PI charging control strategy is proposed and the output current stably is 0.34A,the stable time is 15ms,the overshoot is 3%.Finally,experimental results verify the stability of the simulation system is improved by adding the fuzzy PI charge control method,and the system can meet the requirements of the actual system.

constant current charging power supply;control strategy;fuzzy PI

TP391

A

2016-12-12

国家自然科学基金资助项目(51207096);爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工)开放基金(KFJJ13-6M)

姜静(1973—),女，副教授，研究方向：复杂系统的建模、优化及仿真研究。

1003-1251(2017)05-0005-06