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级联系统中Buck充电调节器前馈控制方法

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资料介绍

针对航天用电源控制器(PCU)系统中的模块组成部分和运行特点,详细分析了PCU系统中顺序开关分流调节器(S3R)的运行模式和对母线电压的影响.当S3R调节母线电压时会产生由滞环控制引起的不定频率的母线纹波,造成了以母线作为输入的蓄电池充电模块《BCR)的输出侧产生同频率的电压电流扰动.本文推导了DC-DC变换器在引入前馈控制以消除前向通道音频敏感率时,前馈控制器所需要满足的一般条件,根据BCR输出侧连接蓄电池,输出电压会随着充电过程变化的特点,提出了一种基于Buck变换器作为BCR模块时,能够跟随蓄电池电压变化自适应改变前馈控制器增益的控制方法,以实现BCR模块输出侧在全电压范围内对输入电压扰动进行抑制,实现对蓄电池充电电流脉动控制的最小化.

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V01．29 No．10

2014年10月

电工技术学报

TRANSACTIONS OFCHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

第29卷第10期

Oct；

20i4

级联系统中Buck充电调节器前馈控制方法

艳王蓓蓓

(北京交通大学电气工程学院北京 100044)

贾鹏宇郑琼林

李

摘要针对航天用电源控制器(PCU)系统中的模块组成部分和运行特点，详细分析了peU

系统中顺序开关分流调节器(S3R)的运行模式和对母线电压的影响。当S3R调节母线电压对会

产生由滞环控制引起的不定频率的母线纹波，造成了以母线作为输入的蓄电池充电模块(BCR)

的输出侧产生同频率的电压电流扰动。本文推导了DC．DC变换器在引入前馈控制以消除前向通

道音频敏感率时，前馈控制器所需要满足的一般条件，根据BCR输出侧连接蓄电池，输出电压会

随着充电过程变化的特点，提出了一种基于Buck变换器作为BCR模块时，能够跟随蓄电池电压

变化自适应改变前馈控制器增益的控制方法，以实现BCR模块输出侧在全电压范围内对输入电压

扰动进行抑制，实现对蓄电池充电电流脉动控制的最小化。

关键词：前馈控制音频敏感率蓄电池充电调节器电源控制器 Buck变换器

中图分类号：TM46

Research on FeedforwardControl of BuckCircuit as

Battery Charge

in Cascade

Regulator

System

Li Yan

Beibei

Jia

Trillion

Pengyu

Zheng

Wang

00044 China)

ing

(Beijing Jiaotong University Beij

The article describes the module structure and

of Power

Abstract

characters

operation

shunt

switching

regulator(S3R)part

S3Rconditions

Conditioning Unit(PCU)for aerospace product．The sequential

the

and the

impact ^{of its}operation ^{to the bus}voltage ^isanalyzed．When

PCUis detailed

bus

whose

is unfixed

SO that

voltage，the ripple

frequency

appears

battery charge regulator(BCR)which

the

and

charging

uses bus as its

can conduct this bus

disturbance to its

output．So

voltage

input

voltage

contain this disturbance．This

deduces a

paper

of feedforward

current

battery

general expression

to the variation of

battery

DC—DC

controller which can null audio

with the

converter．According

feedforward controller which can

susceptibility

its

change

gain

along

charge process，an adaptive

SO that it can null audio

voltage

and

the

charging

current of

automatically ^ispresented

battery．

susceptibility

optimize

control，audio

conditioning

susceptibility，battery charge regulator，power

Keywords：Feedforward

converter

unit，Buck

源系统结构，其功能是实现将太阳能进行光伏转换

为蓄电池充电，为母线负载提供电能，并在光照不

足或者负载较重时使蓄电池放电保证母线负载正常

工作。通常按照PCU的母线电压变化范围可分为三

类：不调节、半调节以及全调节母线系统。近年来

卫星上广泛使用的PCU系统多采用后两种调节母

引言

电源控制器(Power

Unit，PCU)是

Conditioning

航天器一次电源系统中的核心构成部分，广泛应用

于卫星、空间站和探测器等航天器产品中。现阶段

大部分PCU产品采用的是太阳电池阵／蓄电池的电

线方式【l，2】，一般由分流调节器(Shunt

SR)、蓄电池充电调节器(Battery Charge

Regulator，

1—02

收稿日期2012-05．24 改稿日期2012-1

万方数据

135

第29卷第10期

贾鹏宇等级联系统中Buck充电调节器前馈控制方法

成的级联系统实验平台，模拟了PCU系统中S3R

调节母线电压时由于滞环控制引起的母线电压纹波

现象。通过比较不同稳定点工况的Buck电路在加

入前馈控制器前后的输出电压的扰动分量，进行对

前馈控制电路设计的验证。

BCR)和蓄电池放电调节器(Battery Discharge

Regulator，BDR)三部分构成12‘6】，其对外接ISl一般

包括：太阳电池板、蓄电池、母线负载以及上位机

通信接口。

图1为全调节母线型PCU系统架构图，其中

SA表示太阳电池板阵列。当PCU运行在光照区轻

载工况时，太阳电池板输出电流厶A较为充足，SR

进行分流调节【2’7】，将部分电流，s回流至电池板，以

维持母线恒定，此时BCR模块输入从母线取电，为

蓄电池进行充电；当PCU系统运行在阴影区重载工

况时，蓄电池通过BDR放电以维持母线电压恒定。

负载

图1

PCU系统示意图

SR部分硬件常采用顺序开关分流调节器(Sequential

Shunt

PCU_systemscheme

Fig．1

Switching

Regulator，S3R)实现，图2为其

基本原理图，根据功率等级和太阳电池板数量决定

其级数，z。由于SR模块多采用滞环控制[7-t01，导

致母线上存在一定频率的纹波，这就使得BCR的输

入电压中存在电压扰动，从而使蓄电池电压和充电

电流含有同频率的脉动，使得BCR引入噪声，损耗

和器件应力增大，影响PCU系统的稳定性。因此控

制衰减BCR模块前向通道的闭环输入电压一输出电

压传递函数彳(J)，即音频敏感率(audio

bility)，是BCR设计的重要内容。

suscepti．

图2 S3R基本原理图

文献【11】指出了带有输入滤波器的Buck型变换

器在采用前馈控制时可以消除输入滤波器的输出阻

抗对Buck变换器控制环路的影响，并给出了加入

前馈控制后音频敏感率爿0)衰减的效果，但没有对

此进行深入分析；文献[12]推导了变换器的一般状

态空间方程，并且选定比例控制器对基本的电路拓

扑进行前馈控制，得到了在调整音频敏感率彳(s)为

零时，前馈比例系数需要满足的条件。但当变换器

的模型阶次较高时，单独采用比例控制器无法实现

全频率范围内音频敏感率的调零，因此需要对前馈

Scheme of S3R

Fig．2

2引入前馈控制的I)C．I)C变换器

图3表示引入输入电压前馈控制的变换器的一

般控制框图。图中G，。表示开环输入电压．输出电压

传递函数，G订表示开环占空比．输出电压传递函数，

G。表示反馈系统中采用的控制器，G：表示前馈控制

器，胃表示电压采样系数，‰ 表示三角波的幅值，

移。表示输入电压扰动，屯。表示输出电压扰动，

控制器的精确形式进行探讨；文献【13，14]基于Buck

和Boost等基本变换器给出了一种变三角波幅值的

载波实现电路，能够实现调整音频敏感率爿(s)_0，

但载波幅值变化容易增加反馈控制电路的设计难

度，降低电源系统的可靠性。

以。ref表示输出电压指令值扰动，由于一般为直流量

给定值，因此为零。

本文首先分析了引入输入电压前馈的DC—DC

变换器的控制框图，给出了闭环控制的变换器中音

频敏感率彳(s)调整为零的一般条件。接着以航天飞

行器中降压类BCR电源拓扑中常用的Buck电路为

例，通过分析其模型表达式，给出一种简单的能够

根据输出侧电压变化而自适应改变前馈控制电路增

益的控制实现方法。最后通过搭建S3R与BCR构

bout,-矿O

图3

引入输入电压前馈的DC．DC变换器控制框图

Control block

ofDC—DC converter with

Fig．3

diagram

feedforward of

input voltage

万方数据

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