多路输出的PEMFC控制系统电源的研制

3 控制电路的设计

3.1 PWM控制电路

这里以数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407为核心，设计了全数字PWM控制系统，如图3所示，具有更好的实时性，能很好的适应PEMFC发电机的输出特性。



输出电压经霍尔电压传感器隔离采样后送到DSP的ADC模块进行模数转换，这些值在一定时间内经过一系列数字PI控制后，给全比较单元产生一个新的比较值，该比较值将在下一个开关周期改变PWM波形的占空比，这样就达到了控制输出电压为所要求值的目的。

DSP中并没有自动生成PWM信号的功能，要通过编程的方法实现它，通过一个单比较1的输出脚PWM1实现所需要的PWM信号，下面具体介绍这种方法。单比较单元有一个比较寄存器，用来存储比较值，当计数器于比较值相等时，相应的PWM输出引脚电平发生跳变，怎样跳变取决于PWM引脚的工作方式。

PWM输出脚工作方式：有效高方式，有效低方式等。在定时器1工作在连续增减计数时，电平的为：输出脚若设置为有效高，计数器为零时，输出脚电平为零，计数器开始增计数，当与比较值相等时，这时输出脚为有效状态，电平变高。计数器到达周期值后，开始减计数，当减计数到比较值时，输出脚为无效状态，电平变低。输出脚若设置为有效低。则此时的电平变化与有效高状态正好相反。本文采用有效高工作方式。

T1CNT为计数器1的计数值，T1PER为计数器l的周期值。当T1CNT的值增加到与T1PER相等时，计数器1开始减计数，当T1CNT的值减到0时，计数器增计数。计数器值随时间变化如图4所示。在计数器的计数值与各比较单元的比较寄存器值(SCMPRl)相等时，输出脚电平发生变化。波形图如图4所示，从图中可以看出，计数器值通过与实时变化的比较寄存器值(SCMPR1)相比较，可以调节PWM脉冲宽度，进而改变功率管的占空比，达到对DC／DC变换器输出电压的实时控制。



3.2 隔离采样电路的设计

为了保证电路的可靠运行，电压的采样最好能够与控制电路隔离，这样能够避免主电路中大电流流过地线时压降带来的干扰。在本机中，通过电压霍尔元件实现控制电路与主电路的隔离。霍尔电压元件的原理是：将大电阻串人电压及霍尔元件的原边，得到原边电流，该电流能在副边产生一定比例的副边电流，副边电流流过电阻产生的压降能够反应主电路的电压值。所设计的DC／DC变换器的输出直流电压的采样电路如图5所示。



从图5中的参数可以看出：

UADC1=Uo／10

经过霍尔元件的隔离与运放的处理后，送入DSP的A／D转换电压与主电路隔离，提高了整个电路的抗干扰能力。

3.3 PI调节器的参数选择

该DC／DC变换器的控制电路采用的是电压单闭环控制，将Gv(s)设计成PI控制器，它的参数选择在很大程度上决定了DC／DC变换器的性能，因此它们的选择在机器的研发过程中至关重要。

在研制该机的过程中，本文是进行参数选择为：先选择主电路的参数及采样电路的参数，并且在Matlab中建立该DC／DC变换器的模型，再根据大致原则，对PI的参数先进行大致的估计，不断对PI的参数进行调节。得到满意的结果后，将该参数编程到DSP中，实际运行后，根据实验的结果，再稍微调整。最后得到的结果如下：

Gv(s)=5+20／s

在该参数下，用Matlab仿真后得到的满载时结果如图6所示。



从仿真波形可以看出，在该PI参数设置下，所设计的开关电源的输出电压基本上达到了所要求的5 V。

4 实验结果与分析

研制的开关电源输入电压48 V，输出24 V空载，5 V电压输出电流0.5 A时测得的电压波形如图7所示。经测量输出电压4.96 V，纹波电压的峰峰值为Vp-p=35 mV。PEMFC发电机在运行时。其输出端接开关电源，5 V输出接0.5 W负载时测得的电压波形如图8所示。经测量，开关电源的电压输出为5.01 V，其峰峰值电压纹波经测量为Vp-p=80 mV。





通过试验波形可以看出，研制的DC／DC开关电源输出电压稳定，能够适应PEMFC发电机的输出特性，基本满足控制系统对电源的需求。PEMFC输出的直流电压波形中毛刺很多，而且开关电源的制作工艺有待进一步完善。因此造成开关电源输出纹波较大。

5 结 语

设计了开关电源的主电路结构，及该开关电源的滤波、整流等电路，给出了开关电源高频变压器的设计方法，计算了元器件参数并选择型号，研制了电源样机。对研制的开关电源进行了性能测试，能够适应PEMFC发电机的输出特性，满足控制系统的需求。