基于DSP控制的燃料電池客車用DC/DC變換器研究

0 引言
能源短缺及環(huán)境污染的問題成為當(dāng)今世界迫切需要解決的綜合問題，而傳統(tǒng)的汽車工業(yè)便是能源與環(huán)境最大殺手之一，發(fā)展清潔、高效的汽車新動力能源已成為十分緊迫的任務(wù)。燃料電池(Fuel Cell)就是這樣一種綠色能源技術(shù)。為了改善燃料電池較“軟”的輸出特性，通過DC/DC變換器將燃料電池的電壓變換后給主驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)，滿足它們輸入特性的要求，這樣就使得燃料電池輸出特性變“硬”，并且匹配了變換器的輸出阻抗，所以具有良好控制特性，并且實現(xiàn)數(shù)字化控制、通訊和保護的可靠穩(wěn)定的DC/DC變換器的研制就成為迫切的需求。
近年來DSP技術(shù)的日臻完善，標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著一次重大的技術(shù)變革。因此，針對燃料電池客車專用大功率DC/DC變換器數(shù)字化技術(shù)進行研究，開發(fā)出國產(chǎn)的專用數(shù)字化大功率DC/DC變換器，對我國的電動汽車的發(fā)展和普及，將具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

l DC/DC變換器主電路構(gòu)成
變換器主電路是基礎(chǔ)，直接影響到DC/DC變換器的性能。DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)簡單；工作效率高，顯著提高整車的經(jīng)濟性；且自身工作頻率高，具有高響應(yīng)速度，易于實現(xiàn)復(fù)雜多變的輸入輸出特性，可以滿足不同控制策略的要求。所以，燃料電池客車用功率混合轉(zhuǎn)換裝置放棄了全橋式逆變的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而選用Boost和Buck型主電路拓?fù)洹?BR> DC/DC變換器按功能可分為：升壓變換器(Boosf Conventer)、降壓變換器(Buck converter)和升降壓變換器(Boost-Buck converter)，在燃料電池汽車中主要采用升壓或降壓變換器，其原理圖如圖I和圖2所示。

以圖2 Boost變換器為例，簡單分析其工作原理：當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，電流Iin流過電感L，電流線性增加，電能以磁能形式儲存在電感線圈中。此時，電容C放電，負(fù)載上流過電流Io并在其兩端形成輸出電壓Vo，極性上正下負(fù)。因為開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D陽極接負(fù)極，D承受反壓，所以電容不能通過開關(guān)管放電。開關(guān)管S由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，電感L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持Iin的不變。這樣磁能轉(zhuǎn)化成的電壓V1與電源電壓VFC串聯(lián)，以高于Vo的電壓向電容C、負(fù)載供電。高于Vo時，電容C有充電電流；等于Vo時，充電電流為零；當(dāng)Vo有降低趨勢時，電容向負(fù)載放電，維持Vo不變。由于VL+VFC向負(fù)載供電時，V。高于VFC，從而有了升壓的結(jié)果。

2 基于TMS320LF2407A的控制電路硬件設(shè)計
采用數(shù)字信號處理器作為開關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復(fù)雜等缺點，還可以解決單片集成控制器不靈活的弱點；而且DSP數(shù)字處理器具有工作頻率高、指令周期短和改進的總線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，具有強大的數(shù)字處理功能。
TMS320LF2407A是德州儀器(TI)公司24X系列DSP控制器的成員，它在電機的數(shù)字化方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，通過編程和外部電路的配合，完傘能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池用大功率DC/DC變換器的數(shù)字化。圖3為控制系統(tǒng)的功能框圖，控制系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項控制功能：
(1)通過濾波電路對傳感器輸入信號進行處理，然后由ADC采樣電路進行數(shù)字采樣并送入中央處理器：
(2)由TMS320LF2407A直接生成PWM控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動放大后來控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷；
(3)利用處理器內(nèi)部的I/O口來實現(xiàn)一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制等；
(4)通過CAN2.0控制器與整車控制器進行遠(yuǎn)程通訊與控制。

燃料電池客車數(shù)據(jù)采樣電路的目的是獲取系統(tǒng)的輸出電壓、電流控制反饋信號；功率器件的溫度、電流、電壓保護反饋信號。信號傳輸給控制板通過TMS320LF2407A內(nèi)部集成的10位精度的帶內(nèi)置采樣/保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)后進行數(shù)據(jù)運算和邏輯判斷。該10位ADC是高速ADC，最小轉(zhuǎn)換時間可達到500ns，對于20～50kHz的開關(guān)電源來講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了 DC/DC變換器的高速響應(yīng)時間。
在DC/DC運行過程中，可能會發(fā)生一些異常狀態(tài)，例如由于器件損壞等原因，造成DC/DC不工作；電路出現(xiàn)短路；IGBT和功率二極管過流；散熱器過熱等。對于以上異常狀態(tài)，都從硬件電路上給予充分設(shè)計并采取相應(yīng)的保護措施。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個變換過程的控制和通訊，實現(xiàn)過程的數(shù)字化。燃料電池客車用大功率DC/DC變換器的控制軟件采用C語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應(yīng)大功率開關(guān)電源對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求。
3.1 軟件的整體結(jié)構(gòu)
控制軟件主要包括以下幾個部分：采樣處理環(huán)節(jié)；由采樣值來計算輸出脈寬，并根據(jù)此值調(diào)整輸出的PWM脈沖寬度；CAN通訊來接受控制指令并發(fā)送輸出的電流、電壓值、溫度、狀態(tài)碼等信息；中斷服務(wù)程序；故障處理及保護功能程序?？刂葡到y(tǒng)初始化程序和主程序流程圖如圖4所示。

為了提高軟件的運行效率，把不需要及時處理的部分放在主程序里而，而把一些需要及時處理的控制過程利用中斷的方式來進行處理，如PWM波形的調(diào)制等需要進行周期處理的工作和必須進行及時處理的工作利用中斷方式來處理。另外CAN通訊程序也采用中斷服務(wù)程序來處理，根據(jù)接收到的信息來決定具體的工作模式和工作參數(shù)并對變換過程進行調(diào)整。
3.2 數(shù)字PlD控制簡要設(shè)計
PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點，因而在連續(xù)系統(tǒng)控制技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進行控制的方法，其控制規(guī)律為

式中：K為比例系數(shù)；
e為電壓偏差信號；
Ti為積分時間常數(shù)；
Td為微分時間常數(shù)；
uo為初始值。
由于數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，在式(10中的積分和微分項不能直接準(zhǔn)確計算，因此在本控制系統(tǒng)中采用了增量式PID算法，其控制規(guī)律的數(shù)值公式為

式中：T為采樣周期。
由式(2)可以看出，增量式算法只需要保存前三個時刻的偏差值，占用空間小，計算誤差或精度不足時對系統(tǒng)影響小，累計誤差同樣也比較小，而且在每次重新啟動時，可以在原來的基礎(chǔ)上進行控制，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時間。同時也避免了因偶然因素造成控制器的輸出做大幅度的劇烈變化，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。
對于本系統(tǒng)，PID控制器的參數(shù)主要是通過試驗來確定。系統(tǒng)的采樣周期就是DC/DC的開關(guān)周期，根據(jù)前一個周期的采樣值來計算下個周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷就必須進行一次計算。PID的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。
3.3 可編程數(shù)字化輸入輸出特性控制
燃料電池客車用大功率DC/DC變換器輸入電壓范圍大約在IOOV左右，需要設(shè)定輸入欠壓保護，防止燃料電池電壓過低導(dǎo)致故障。基于欠壓保護程序?qū)崟r高速采樣對達到欠壓點后進行功率限制，保證燃料電池正常工作，同時可以根據(jù)燃料電池和整車需求的變化進行數(shù)字化設(shè)置。
DC/DC變換器輸出特性要與電機控制器、動力電池的正常工作范圍匹配，又要配合整車控制器(ECU)復(fù)雜的控制策略。所以輸出特性設(shè)計為恒壓限流和恒流限壓兩種模式，如圖5所示。由ECU通過CAN發(fā)送給定值，兩種特性可以在發(fā)送一個CAN控制指令周期內(nèi)切換，實現(xiàn)了可編程的輸出特性控制。

4 試驗結(jié)果及技術(shù)參數(shù)
整個實驗系統(tǒng)由所研制的燃料電池發(fā)動機用90 kW Boost DC/DC變換器、100 kW燃料電池模擬裝置、電機及其控制器、PC機以及數(shù)字示波器等測試設(shè)備組成。變換器的IGBT開關(guān)電壓波形，PWM驅(qū)動波形的測試結(jié)果如圖6所示，從波形中可以看出，Boost變換器開關(guān)管的開關(guān)電壓和驅(qū)動波形均較理想，變換器的開關(guān)功率損耗較小。

系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖7所示，從圖7中可以看到，系統(tǒng)的輸出電壓從380V降到340V只需要不到200ms的時間，響應(yīng)速度較快、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)控制精度較高。
燃料電池發(fā)動機用90 kW Boost DC/DC變換器技術(shù)參數(shù)如下：
(1)輸入電壓 DC≤350V：
(2)輸出電壓 DC350～450V：
(3)輸出電流 200～250 A；
(4)額定功率點效率 ≥97％：
(5)輸出紋波 ≤l％：
(6)通過CAN通訊實現(xiàn)具有可編程的外特性控制，即恒壓限流、恒流限壓；
(7)系統(tǒng)的自主控制與整車控制器(ECU)控制兩種控制方式隨意切換。

5 結(jié)語
所研制的燃料電池客車用數(shù)字化90 kWBoosl DC/DC變換器采用IGBT作為功率開關(guān)管，具有較高的效率和可靠性；控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)，具有很高的實時性和良好的可編程控制功能，滿足了整車復(fù)雜的控制要求；整機采用模塊化方式，可以和整車進行可靠的通訊，人機交互性好。該變換器已經(jīng)成功地應(yīng)用在國內(nèi)第一輛燃料電池城市客車上，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足使用要求。