電力操作電源兩種控制方式的比較

RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻；

R為負載電阻。

由圖2可得電壓環(huán)單環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數為：

Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)（4）

由圖3可得電流環(huán)單環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數為：

Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)（5）

將如圖1所示的實(shí)際電路參數代入式(4)和(5)，其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。做出波特圖。圖4為電壓環(huán)開(kāi)環(huán)波特圖，其剪切頻率為1.5kHz，相位裕量為28°。圖5為電流環(huán)開(kāi)環(huán)波特圖，其剪切頻率為10kHz，相位裕量為81°。

2.2串級型雙環(huán)控制方式

這種控制方式的電路原理圖如圖6所示，它在結構上將兩個(gè)單環(huán)串聯(lián)起來(lái)，同樣也能實(shí)現電路恒壓和恒流兩種工作方式。當D3導通時(shí)，電路工作在恒流模式，此時(shí)，電壓環(huán)不起作用，電路相當于單環(huán)控制，其電路方框圖和傳遞函數同圖1所示電路工作在恒流模式是一樣的，不再重復。當D3截止時(shí)，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級雙環(huán)控制，電流環(huán)作為電壓環(huán)的內環(huán)，電壓環(huán)PI調節器的輸出UV2作為電流環(huán)PI調節器的給定。其電路方框圖如圖7所示，在設計參數時(shí)，先設計電流環(huán)的調節器，獲得穩定的內環(huán)，然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數Tic(s)，并將其作為電壓環(huán)的一個(gè)環(huán)節，如圖8所示，然后設計電壓環(huán)的調節器。這種控制方式的最大的優(yōu)點(diǎn)是很好地解決了電路的限流問(wèn)題，使電路具有最快的限流響應速度。但是這種控制方式的實(shí)際限流給定是限流值Uiref加上D3的管壓降，因為D3的管壓降與通過(guò)它的電流有關(guān)，所以這種控制方式的穩流精度不如前面那種控制方式，但可以通過(guò)調節電阻R3，減小D3管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩流精度。

圖8電壓環(huán)雙環(huán)控制方式下的等效電路方框圖

圖6串級型雙環(huán)控制方式的電路原理圖

圖7電壓環(huán)雙環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖9雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)波特圖

圖7和圖8中，Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗：Z(s)=（6）

其它函數在上面已經(jīng)定義，就不再復述。

根據圖7，得到電流環(huán)（內環(huán)）的閉環(huán)傳遞函數為：Tic(s)=(7)

然后由等效方框圖圖8可得，電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數為：

Tvo1(s)=HGV(s)Tic(s)Z(s)(8)

為了便于比較兩種控制系統特性，串級型雙環(huán)控制方式下的控制參數與并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下的控制參數一致。將如圖6所示的實(shí)際電路參數代入式（8），其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。得到串級型雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)波特圖，如圖9所示。其剪切頻率為378Hz，相位裕量為98°，穩定裕量為59dB。

3兩種控制方法的比較

31串級型雙環(huán)控制方式具有更快的限流響應速度

在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下，當系統的工作狀態(tài)由恒壓模式切換到恒流（限流）模式時(shí)，由于存在一個(gè)切換的過(guò)渡過(guò)程，往往會(huì )導致限流速度太慢，甚至發(fā)生兩個(gè)環(huán)交互作用，互相干擾而導致系統的不穩定。因為當電路工作在恒壓模式時(shí)，此時(shí)的輸出電感電流平均值比限流設定值低，所以電流環(huán)PI調節器正向飽和輸出UC1，這時(shí)負載突然增大，并且電感電流平均值大于限流值，但電路并不是立即進(jìn)入限流狀態(tài)，而是要等到UC1的輸出從正向飽和狀態(tài)退出并且降到比電壓環(huán)PI調節器輸出UV1低時(shí)，此時(shí)DC1才導通，限流環(huán)才開(kāi)始起作用。這樣就會(huì )有可能帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是如果這段時(shí)間太長(cháng)，系統有可能因為不能及時(shí)限流而導致過(guò)流保護；二是如果電流環(huán)和電壓環(huán)的響應速度比較接近時(shí)，則在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中有可能兩個(gè)環(huán)交錯作用，互相干擾，導致系統的不穩定。圖10所示波形是當兩臺模塊并聯(lián)運行時(shí)，關(guān)掉一臺模塊，另一臺模塊過(guò)流保護時(shí)輸出濾波電感電流的波形，其波形是采用霍爾傳感器得到的，檢測系數為20:1，通道1為模塊1輸出濾波電感電流波形，通道2為模塊2輸出濾波電感電流波形，實(shí)驗條件為：兩臺并聯(lián)工作輸出42A，模塊的限流值為25A。此時(shí)關(guān)掉模塊1，對于模塊2相當于突然增加一倍負載，由圖中可見(jiàn)，由于模塊2的限流環(huán)不能及時(shí)作用，導致其過(guò)流保護。

圖11顯示了通道1為電壓環(huán)PI調節器輸出UV1，通道2為電流環(huán)PI調節器輸出UC1。負載沒(méi)有突變時(shí)，系統工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式，此時(shí)UV1決定電路的占空比；UC1飽和輸出，（在實(shí)驗電路中為了加快其響應速度，將它限幅在6V）電流環(huán)不工作。當負載突增，輸出電壓下降，因此UV1上升，當電感電流平均值超過(guò)限流值時(shí)，UC1下降，但在電路中由于電壓環(huán)和電流環(huán)的速度接近，使它們在過(guò)渡過(guò)程中交錯作用，導致系統的不穩定。

而系統采用串級型雙環(huán)控制方式時(shí)則不會(huì )有此類(lèi)問(wèn)題，因為在這種情況下，電路工作在恒壓模式時(shí)，說(shuō)明電壓環(huán)PI調節器的輸出小于限流環(huán)設定，D3截止，但電流環(huán)作為內環(huán)仍然在工作著(zhù)。同樣如果此時(shí)負載突然增加，則由于輸出電壓降低，所以電壓環(huán)的PI調節器輸出增加，當UV2大于限流值時(shí)，D3導通，系統則工作在恒流模式。從電路結構中看，這種控制方式是對電壓環(huán)PI調節器的輸出進(jìn)行限幅，限幅值就是電流環(huán)的限流值Uiref，這樣一旦電壓環(huán)PI調節器的輸出大于限流值Uiref,系統就立即進(jìn)入限流狀態(tài)，從而使系統具有最快的限流響應速度。圖12是當兩臺模塊并聯(lián)運行時(shí)，關(guān)掉一臺模塊，另一臺模塊快速限流時(shí)的輸出濾波電感電流波形。通道1、通道2分別為模塊1、模塊2的輸出濾波電感電流，電流檢測系數為20:1。此時(shí)模塊的限流值和保護值不變。同樣兩臺模塊也是并聯(lián)工作，輸出42A。然后關(guān)掉模塊1，由圖12可見(jiàn)，采用串級型雙環(huán)控制后，模塊2快速限流，并且無(wú)超調。

32串級型雙環(huán)控制方式具有更好的系統穩定性能

圖10并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下突變負載引起過(guò)流保護