基于移相控制与PI控制器的双有源全桥（DAB）控制实现

基于移相控制与PI控制器的双有源全桥（DAB）控制实现

一、系统架构与控制原理

1. 双有源全桥拓扑结构

[输入电源] → [H桥1] ↔ [高频变压器] ↔ [H桥2] → [输出滤波] → [负载]

• 核心组件：两个全桥电路、高频变压器（变比n:1）、辅助电感Lr
• 关键参数：开关频率fs、电感电流纹波ΔIL、电压传输比k=Uo/Ui

2. 移相控制原理

通过调节原边（H桥1）与副边（H桥2）的移相角Δφ实现功率控制：

• 功率传输方程：
  $$P = \frac{n^2 V_{in} V_{out} \sin\Delta\phi}{2\pi L_r f_s} \cdot \sqrt{1+\left(\frac{V_{in}+V_{out}}{2L_r f_s \Delta\phi}\right)^2}$$
• 控制自由度：
  • 内移相角$d1/d2$（H桥内部开关相位差）
  • 外移相角$Δφ$（H桥间相位差）

二、双闭环PI控制设计

1. 控制架构

graph LR
    A[输出电压反馈] --> B{电压外环PI}
    C[电感电流采样] --> D{电流内环PI}
    B --> E[生成参考电流]
    D --> F[生成移相角指令]
    E --> G[调制信号生成]
    F --> G
    G --> H[PWM驱动]

2. PI参数整定方法

(1) 电流内环设计

• 传递函数：
  $$G_{i}(s) = \frac{K_{PWM}}{L_r s + R_r} \cdot \frac{1}{n}$$

• 参数整定（基于临界比例度法）：

  Kp_i = 0.5 * (L_r * fs) / R_r;  % 比例系数
  Ki_i = 0.1 * Kp_i / (L_r * fs); // 积分系数
  

(2) 电压外环设计

• 传递函数：
  $$G_{v}(s) = \frac{V_{in}}{n L_r C_o s^2 + (n R_r C_o + L_r) s + V_{in}}$$

• 参数整定（Ziegler-Nichols法）：

  Kp_v = 0.6 * Kp_i;  
  Ki_v = 1.2 * Ki_i;
  

3. 移相角生成算法

// 基于PI输出的移相角计算
delta_phi = Kp_p * (Vref - Vout) + Ki_p * integral_error;  
d1 = 0.5 * sin(delta_phi);  // 内移相角
d2 = 0.5 * cos(delta_phi);

三、关键实现技术

1. 动态响应优化

• 前馈补偿：引入输入电压前馈项
  $$V_{ff} = \frac{n V_{in} \Delta\phi}{2 L_r f_s}$$

• 抗饱和处理：采用积分分离策略

  if(fabs(error) > threshold) {
      integral += error * dt;  // 正常积分
  } else {
      integral = 0;            // 误差小时停止积分
  }
  

2. 非线性补偿

• 查表法补偿：建立$Δφ-$效率映射表

  | Δφ(°) | 效率(%) | 补偿系数 |
  | ----- | ------- | -------- |
  | 15 | 92.3 | 1.02 |
  | 30 | 94.1 | 0.98 |
  | 45 | 95.6 | 0.95 |

3. 数字化实现要点

• PWM生成：使用STM32定时器互补输出模式

  TIM_OCInitTypeDef OC_InitStruct = {0};
  OC_InitStruct.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  OC_InitStruct.Pulse = duty_cycle;  // 占空比50%+Δφ/π
  HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &OC_InitStruct, TIM_CHANNEL_1);
  

四、性能优化策略

1. 自适应PI调节

• 在线参数整定（基于模型参考自适应MRAC）：

  % 在线更新PI参数
  Kp = Kp_base + Kp_adapt * (Vref - Vout);
  Ki = Ki_base + Ki_adapt * integral_error;
  

2. 混合控制架构

• 模糊PI控制：

  // 模糊规则库示例
  IF e IS large_positive AND de/dt IS increasing THEN Kp=1.2, Ki=0.5;
  IF e IS small_negative AND de/dt IS decreasing THEN Kp=0.8, Ki=1.0;
  

3. 多目标优化

• NSGA-II算法：同时优化效率与电压纹波

  options = optimoptions('gamultiobj','PopulationSize',100);
  [x,fval] = gamultiobj(@fitnessFcn,2,[],[],[],[],lb,ub,options);
  

八、开发资源推荐

1. 参考

   • 《双有源桥变换器控制技术》（王兆安著）
   • 采用移相控制与PI控制器实现双有源全桥控制 youwenfan.com/contentalb/52278.html
   • IEEE Trans. on PE, "Adaptive PI Control for DAB"