KiCad 华秋发行版 new
供应链、设计、制造，一体成就未来
华秋PCB
高可靠多层板制造商
华秋SMT
高可靠一站式PCBA智造商
华秋商城
自营现货电子元器件商城
PCB Layout
高多层、高密度产品设计
钢网制造
专注高品质钢网制造
BOM配单
专业的一站式采购解决方案
华秋DFM
一键分析设计隐患
华秋认证
认证检测无可置疑
发资料
发帖
提问
发视频
扫码添加小助手
加入工程师交流群
图1.25kW电动汽车直流充电桩的高级框图。
控制策略的开发过程
图2.25 kW PFC转换器控制架构概览。任务在UCB上的XilinxZynq 7000的FPGA和ARM MCU之间的分配示意图。DAB转换器的控制架构概览与此相同。
利用基于模型的测试来揭示控制系统中的错误
图3说明了在整个项目开发链中出现错误和检测到错误的典型分布情况。可以看到，大多数错误是在初期的制定规格和设计阶段引入的；但是，它们大多直到测试后期才被发现。
为了解决图3中呈现的现象，我们采用了一个开发过程，其目的是在开发的早期阶段检测到大部分这些错误。如果实施得当，从项目资源和时间表的角度来看，这种方法会带来一些优势，包括：
最大限度地降低额外所需硬件迭代的风险。
加速硬件评估阶段，最大限度地减少必需对硬件进行的调整。在原型板生产期间，已经执行了大量工作。
在我们的仿真过程和仿真模型中编译和验证我们的固件C代码(状态机)。因此，验证发生在仿真阶段，而不是硬件评估阶段。
FPGAIP内核可从经过验证的模型中自动合成生成。这消除了手动编码错误，并支持高级优化以最小化FPGA内核面积，同时满足时序约束。
为了加速这些特性的实现，我们充分利用了以下工具的优点(如表1所示)。
表1：安森美工程团队使用的开发和仿真工具，用于开发、仿真、部署和测试25 kW快速直流电动汽车充电桩设计的固件。
一步一个脚印。如何开发仿真模型？
图4描绘了固件开发和执行过程的简化流程图，按表2中总结的三个主要阶段进行划分。在本文中，只深入讨论仿真模型开发，这是最重要的一个阶段。
图4.25 kW快速直流充电桩固件开发流程图。
表2：固件开发过程的各个阶段。
仿真模型开发阶段包括开发用于验证系统控制算法的仿真模型(或仿真模块)。本项目中包含的最重要的模块是：
将在ARM内核上运行的C代码(状态机)，通过S函数块导入以用于仿真
转换器的控制算法(控制环路)
电源转换器，用于对硬件进行建模
设备模块、用于PFC的交流设备和用于DAB的直流设备。
我们使用平均开关等效模型[7]作为替代方案，该模型允许使用FPGAIP内核构建仿真模块。同时，我们保留了硬件的所有重要/有影响的特性，以确保仿真的完整性，例如转换器压降效应、噪声测量、PWM传输和模数延迟等。
使用MATLAB生成IP的步骤
本章节进入到详情部分，将介绍实现特定仿真模型的关键步骤以及如何充分利用MATLAB环境所提供的功能。图5显示了具有表1中介绍的元件的通用电能转换系统的简化表示。
图5.通用电能转换系统的简化表示(并非特指25 kW直流充电桩)。
“电源转换器”是模型的核心元件(我们的硬件代表)，“控制器”是相关的主算法模块，也是我们正在开发和评估的算法模块。最终，通过使用MATLAB仿真生态系统提供的自动化工具，该算法模块将转换成FPGAIP内核本身。
我们的团队在模型开发阶段使用了一系列的六个步骤，贯穿至最终的IP生成。这些步骤的概览参见图6中的简化流程图，其简要说明如下文所示。
●-步骤1：我们采用双精度浮点开发模型，而电源转换器则使用平均模型。如上一章节所述，在此阶段，开发的模型起着重要作用，既要尽可能轻以允许合理的仿真运行时间，又要足够准确以反映系统的实际行为。
●-步骤2：我们使用MATLAB提供的自动化工具来生成系统的定点等效模型。此任务采用的工具是MATLABFixedPointDesigner。
●-步骤3：将双精度变换为定点精度后，运行一次验证仿真，以确保定点转换不会影响系统的工作行为。
●-步骤5：在生成FPGAIP内核之前，我们强烈建议针对选定的情况/场景运行一些仿真，将转换器的平均模型替换为开关模型。这个过程相当耗时，应对极少数的仿真情况进行重复。然而，重要的是要确保控制器免受转换器开关行为所引入的非线性的影响。
图6.仿真模型开发阶段的六步骤流程图。为了便于表示，该流程图中省略了图5中的“外设”模块。它所在的位置以及与其他模块的连接与图5中的相同。
PFC控制策略：状态机和控制环路
本章节将详细介绍PFC的控制策略，包括状态机以及控制算法(控制环路)。状态机在UCB的ARM内核上运行，控制算法在状态机的“直流总线VOLTAGE_CONTROL”状态下运行，并在FPGA芯片上实现。
在接下来的章节中，我们将提供有关状态机和算法功能的更多详细信息。图7提供了PFC状态机概览，其中“直流总线VOLTAGE_CONTROL”状态以绿色突出显示，在此状态下控制环路和FPGA将接管控制并运行主算法功能。
ARM内核上的PFC状态机实现
如上所述，PFC的状态机在UCB的ARM内核上运行。其顺序从图7中所示的IDLE模块开始，然后进入ADC通道中的偏移电压验证和输入电压监控和检测。这些用于确定三个电压的频率和相位角。该相位角将作为系统实现功率因数校正的基准。
只能通过GUI发送的复位命令或通过断电/上电序列来复位故障条件，这两种方式分别代表硬件/软件复位。有关PFC功能的更多详细信息，请参见参考文献8，它所描述的实施策略与此25 kW直流充电桩项目相同。
FPGA上的PFC主算法和控制环路
图8说明了作为完整仿真模型一部分的PFC控制模块。PFC算法使用七个输入和三个输出(概述参见表3)。作为本项目的一部分，我们将运行和测试不同的调制策略，以评估哪一种策略能在效率和谐波失真方面产生更好的结果。该控制策略与参考文献8中描述的策略相同。
表3：PFC控制算法的输入和输出参数。
图9作为更深入的研究，详细显示了构成PFC算法的模块和关系。VLINE电压用于确定交流电压相量的实际位置。然后，使用角度θ将电流相位延迟调节到0°，这是PFC的主要目标。电压位置用于通过克拉克和帕克变换，从静止ABC系统参考转换到旋转DQ坐标系(对于PFC，D轴表示相电压相量的幅值)。
在任何情况下，PI调节器都需要某种校准，以确保适当的系统稳定性。通常期望电流环路(内部)的响应较快，外部环路(电压)的响应较慢。此时值得注意的是，电流控制环路与PWM同步运行。同步程序确保ADC外设可在PWM载波的准确时间实例中被触发，以确保在测量的电流量中自然滤除开关纹波。
需补充说明的是，由于存在固有的ADC测量延迟，PWM频率并不完全独立于控制频率，该延迟应当足够小，以保证在开关周期内及时执行PFC算法。由于FPGAPFC控制器的延迟非常低，约为150纳秒，因此PWM频率的主要限制因素是ADC采样和转换时间。一旦有了ADC的数量，控制实现就很简单了。
请注意，这一级的模型主要由Simulink模块组成，包括三相电源转换器的平均模型。PFC的电网和互连滤波器利用
图10.主PFC控制器Simulink模型。直流设备模块(简单的电阻和电容)用作测试PFC算法功能的负载，并不代表实际DAB转换器的模型。
DAB转换器控制策略和磁通平衡技术
从控制算法开始，在可用控制技术中，最著名的技术可能是固定频率相移技术。图11显示了这些技术的分类，其中单相移(SPS)是最简单的一种。事实上，控制器的简单性正是该技术的主要优点，但其代价是转换器中电流循环的增加，以及在更严格的工作范围内才可能实现零电压开关(ZVS)。这两个缺点肯定会影响系统的效率。
基于SPS的两种替代方案是扩展相移(EPS)和双相移(DPS)技术，它们能够更有效地利用转换器，减少了循环电流并扩展了ZVS的工作范围。但这些改进的代价是系统需要添加额外控制，增加了复杂性。
图11.不同相移技术的分类。三重相移(TPS)是其他技术的统一版本，其中的每一种技术都可以视为TPS的子情况。
在本系列文章的第四部分中，我们注意到，DAB转换器的电源仿真是使用SPS进行的。稍后，我们将在硬件原型上测试更先进的技术，并评估每种技术将带来的优势。
最重要的可能改进将是转换器效率提升。此外，还有可能降低变压器中的励磁峰值电流(IM)，这将允许使用更紧凑的变压器和电感。
控制算法和通量平衡模型模块
DAB的控制原理如图15所示。控制器的目标是为电池生成所需的输出电压或电流。
基本概念很简单：将测得的输出电压(或电流)和目标值都馈送至输入PI控制器。PI控制器的输出试图通过产生所需的Δφ(即DAB的初级交流电压和次级交流电压之间的角度相位差)，消除它们之间的误差，以驱动初级侧和次级侧的PWM。由于输出电容的存在，控制环路很慢，但考虑到电池充电的缓慢动态行为，这不是问题。
需补充说明的是，自适应PI增益对补偿陡峭的Vout/ΔΦ斜率的重要性。可使用纯比例控制器(相对PI而言)作为替代方案。不过，工程团队需要对这方面进行进一步研究。
DAB控制算法中一个值得详细阐述的有趣部分是通量平衡功能。这项技术在第四部分中介绍过，它可以补偿换流变压器中的任何直流分量，防止励磁电流的累积和磁芯饱和。
图16显示了用于在25 kW DAB变压器中实现磁通补偿概念的Simulink模型。该模块具有三个输入和一个输出。初级和次级变压器电流和同步(sync.)脉冲是该模块的输入。该模块的输出用于调整变压器初级侧PWM的占空比。
图16.磁通补偿框图。
随后，由相同的同步脉冲触发采样保持(S&H)电路，计算要复制的励磁电流的开关平均值。最后，将估计的励磁平均电流馈送到比例(P)控制器，该控制器将生成调整初级侧PWM占空比的命令。图17显示了在仿真中实现的通量平衡算法的功能。
图17.当DAB的磁通补偿算法无效(左)和有效(右)时，仿真的变压器励磁电流(IM)。当没有运行磁通平衡技术时，剩余直流电流会在每个开关周期内累积，最终会使磁芯饱和。
所选电流传感器(LEM)指定带宽为300 kHz。必须考虑到，当采样频率接近300 kHz时，会出现增益衰减，并且与任何采集系统一样，可能会出现相位滞后。因此，尽管300kHz乍看之下似乎提供了足够的空间，但还是建议运行仿真。使用/不使用有限LEM带宽的采样电流如图18和19所示。(请注意，在本例中，我们尚未激活磁通补偿，因此励磁电流增长非常大。)
在图19中，可以观察到幅度和相位存在非常小的误差，但几乎可以忽略不计。算法中包含的两次采样方法(每个开关周期测量两次电流)也会有助于减轻误差。无论是哪种情况，我们已经在图17中看到磁通平衡可正常工作。
下示仿真应该在图17中给出的结果之前运行或同时运行。因此，可以使用带宽约为300 kHz的传统LEM传感器。图20说明了估计的开关平均电流、实际励磁电流(IM)以及同步脉冲。
图18.带/不带LEM电流传感器效应的初级和次级电流测量。磁通平衡算法在此仿真中不工作。
图19.带/不带LEM电流传感器效应的初级和次级电流测量。
图20.估计的总励磁电流(带LEM电流传感器效应)、估计的开关平均值(带LEM传感器效应)和同步脉冲。磁通平衡算法在此仿真中不工作。
总结
正如在本讨论开始时所观察到的，我们在此采取了与本系列文章前几部分不同的角度，深入研究了控制策略的实现，以及如何对其优化和加速。本文介绍了安森美工程团队遵循的有益方法，该方法有助于在仿真阶段、硬件生产之前，及早调试和识别错误。
审核编辑 ：李倩
浏览量
浏览量
浏览量
浏览量
原文标题：25 kW SiC直流快充设计指南(第五部分)：控制算法、调制方案和反馈
扫码添加小助手
加入工程师交流群
下载发烧友APP
电子发烧友观察
长沙市望城经济技术开发区航空路6号手机智能终端产业园2号厂房3层（0731-88081133）