CN101682253A - 预测控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于电源转换电路的预测控制系统，该系统包括第1采样单元和控制单元，第1采样单元在通断开关的一周期内，多次获取在电源转换电路内的开关中流动的电流作为第1采样实测值，控制单元在采样时，将第1采样实测值或基于第1采样实测值的值与预定阈值范围进行比较，并判断该值是否小于或大于阈值，当该值在预定阈值范围内时，预测全部或部分下次采样时的第1采样值，[1]当第1采样预测值在阈值范围内时，维持开关的操作状态，[2]当第1采样预测值大于或小于阈值范围时，计算改变开关的操作状态的时刻，并在该时刻改变开关的操作状态。

Description

预测控制系统
技术领域
本发明涉及一种通过通断开关，将输入侧的电力输送至输出侧的电源转换用预测控制系统，尤其涉及在接通期间，按照每个采样判断通断开关状态的改变或预测该改变时刻，从而能够高速控制的电源转换用预测控制系统。
背景技术
公所周知，以往在于控制功率半导体开关元件，为了解消延时控制而确实地控制关闭(或接通)时发生的电压变动，作为时序数据依次存储表示功率半导体开关元件的操作状态的操作状态数据的技术(专利公开2006-42565)。
在此技术中，作为时序数据依次存储在关闭(或接通)时表示功率半导体开关元件的操作状态的操作状态数据。而且，根据该操作状态数据预测下次关闭(或接通)时的功率半导体开关元件的操作状态，并根据该预测结果，使得超调电压(或下超调电压)等变动减小，设定下次关闭(或接通)时的电压。
而且，例如在DC/DC转换器，为了进行高速控制(应答性高的控制)，推测电流控制用开关的关闭时间。例如，在接通期间，进行2次开关电流的采样，并检测出电流的增加率，推测该开关电流达到预定阈值(因负载变动的值)的时刻，关闭开关的方法。
专利文献1：日本专利公开2006-42565号公报
发明内容
但是，所述的以往技术或方法不能应对高精度地控制μV命令，或者电源电压急剧变化的情况，或者负载急剧变化(即所述预定阈值急剧变化)的情况等。并且，存在在电流值本身的变化率急剧变化时也不能应对的问题。
本发明的预测控制系统将权利要求(1)至(8)作为要旨。
(1)一种电源转换电路用预测控制系统，该系统通过通断开关，将输入侧的电力输送至输出侧，其特征在于，该系统包括第1采样单元和控制单元，
所述第1采样单元，在通断所述开关的一周期内，多次(以预定间隔N次(N为2以上的整数，例如N＝8，16，32等))获取一个或多个流动在所述电源转换电路内的(a)所述开关的电流、(b)所述开关以外的元件的电流、(c)出现在所述开关的端电压、(d)出现在所述开关以外的元件的端电压作为第1采样实测值，
所述控制单元，
在采样时，判断所述第1采样实测值或根据第1采样实测值的值是否超过预定阈值(被设定在第1采样实测值或根据所述第1采样实测值的值减少的一侧的阈值或增加的一侧的阈值)的下限或上限，当未超过该预定阈值时，预测全部或部分下次采样时的第1采样值，
[1]当该第1采样预测值未超过所述阈值时，维持所述开关的操作状态，
[2]当该第1采样预测值超过所述阈值时，计算改变所述开关的操作状态的时刻，并在此时改变所述开关的操作状态。
(2)根据权利要求1所述的预测控制系统，其特征在于，所述电源转换电路为DC/DC转换器，所述第1采样实测值为在通断开关中流动的电流的实测值。
(3)根据权利要求1或2所述的预测控制系统，其特征在于，所述控制单元，通过至少根据前后2次第1采样实测值的直线近似或曲线近似来求所述第1采样预测值。
(4)根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的预测控制系统，其特征在于，所述第1采样单元仅在N位数字值的后M位采样所述第1采样实测值，
所述控制单元仅在N位数字值的后M位求第1采样预测值，仅在每个所述M位，判断该第1采样预测值是否超过预定阈值。
在高位有可能变化时，第1采样单元优选包括能够在全范围内进行采样的存储装置(寄存器等)。
而且，在已知高位无变化时(或者高位变化的可能性低的情况或极其低的情况)，第1采样单元无需包括能够在全范围内进行采样的存储装置。例如，全范围内为N位时，在N位中，只对后M位准备实际上的存储装置，在前(N-m)位虽不存在现实的存储装置，但对(N-m)位可以考虑设置虚拟存储装置。
(5)根据权利要求4所述的预测控制系统，其特征在于，所述控制单元，在所述后M位的采样预测值的后M位为00…0时，或11…1时，扩张为后(M+1)位，再次求采样预测值。
(6)根据权利要求1至5中的任一项权利要求所述的预测控制系统，其特征在于，包括至少1个其它采样单元，该第2采样单元，在所述通断1周期内，多次(例如，以一定间隔8次以上、16次以上、32次以上)通过所述至少1个其它采样单元求每个采样实测值作为所述阈值。
(7)根据权利要求6所述的预测控制系统，其特征在于，所述电源转换电路为DC/DC转换器，
根据所述其它采样单元的采样实测值为出现在所述电容器两端的电压的实测值。
(8)根据权利要求6或7所述的预测控制系统，其特征在于，所述至少1个其它采样单元仅在N位数字值的后M位采样每个采样实测值。
根据本发明的预测控制系统，可以高精度地控制μV命令，并且，电源电压或负载急剧变化时也能快速应对。
典型的，提供一种在负载急剧变化，电流值的变化率急剧时，能够在适当地时刻控制通断的预测控制系统。
附图说明
图1是表示本发明的电源转换用预测控制系统的一种实施方式的示意图。
图2是表示构成图1的预测控制系统的采样电路的图。
图3中的(a)至(h)是表示图1的预测控制系统的操作的时间图。
图4是图3中的(c)、(f)的放大图。
图5是表示使用在本发明的预测控制系统的数字比较电路的图。
图6中的(A)表示适用于本发明的储能升压式电源转换电路的图，图6中的(B)表示适用于本发明的储能升压式电源转换电路的图。
图7是表示适用于本发明的逆变整流式电路的图。
图8是表示适用于本发明的正向电路的图。
附图标记：
1-预测控制系统，2-电源转换电路，11-采样电路，12-控制电路，21-开关，22-续流二极管，23-电抗器，31-电源，32-负载，24-电容器，111-电压检测用开关电路，112，114-AD转换电路，113-电流检测用开关电路，121-数字比较单元，122-开关关闭判断单元，123-预测运算单元，124-驱动信号发生单元
具体实施方式
提供一种可以高精度地控制μV命令，并且电源电压或负载急剧变化时(典型的，负载急剧变化，电流值的变化率急峻时)也能够快速应对的电源转换用预测控制系统，
所述控制单元，
在采样时，判断所述第1采样实测值或根据所述第1采样实测值的值是否超过预定阈值(被设定在第1采样实测值或根据所述第1采样实测值的值减少的一侧的阈值或被设定在增加的一侧的阈值)的下限或上限，当未超过该预定阈值时，预测全部或局部下次采样时刻的第1采样值，
[1]当该第1采样预测值未超过所述阈值时，维持所述开关的操作状态，
[2]当该第1采样预测值超过所述阈值时，计算改变所述开关的操作状态的时刻，并在此时改变所述开关的操作状态。
而且，在进行检测和控制时，通过在整个N位中，将高位作为虚位，只对低位进行检测处理，而快速且高精度地进行检测及控制，
其它采样单元，仅在N位数字值的后M位采样各采样实测值。
实施例1
下面，说明本发明的实施方式。
图1是表示将本发明的预测控制系统适用在典型的储能降压式电源转换电路中时的一种实施方式的示意图。图1中，预测控制系统1通过通断电源转换电路2内的开关21将输入侧的电力Pi输送至输出侧(以Po表示输出侧电力)，并包括第1采样电路(本发明中的第1采样单元)11和控制电路(本发明中的控制单元)12(在图2中详细说明预测控制系统1)。
图1中，电源转换电路2由电源31侧的通断开关(图1中的晶体管)21、与开关21串联的电流检测用电阻211、负载32侧的电抗器23、连结在电流检测用电阻211和电抗器23的连接点A与接地G之间的续流二极管22、以及连结在电抗器23的输出端与接地G之间的电容器24构成。
如图2所示，预测控制系统1包括采样电路11和控制电路(本发明中的控制单元)12，作为电阻211的电压降检测电源转换电路2的输出电压EOUT及在开关21中流动的电流iTr。
图2中，采样电路11，通过电流检测用开关电路111和将其输出值转换为模拟数字的AD转换电路112对在开关21流动的电流iTr进行采样，并通过电压检测用开关电路113和将其输出值转换为模拟数字的AD转换电路114对电源转换电路2的输出电压EOUT进行采样(在图2中详细说明预测控制系统1)。
电流检测用开关电路111及电压检测用开关电路113可以用频率不同的时钟进行操作，但在本实施方式中，用共同的时钟CLCK2进行操作。将时钟CLCK2的频率设为通断开关21的时钟CLCK1的频率的16倍。
而且，在图2中，控制电路12，包括数字比较单元121和开关关闭判断单元122、预测运算单元123和驱动信号发生单元124。数字比较单元121对将由AD转换电路112的数字电流值iK换算为电压值的值(iK·r)和由AD转换电路114的对应于数字电压值eK的值(阈值e0)进行数值比较。此处，k是在采样一周期中表示采样顺序的指数。例如，数字比较单元121可以比较将数字电流值iK换算为电压值的值(iK·r)与数字电压值eK加偏差的值。另外，在本实施例中，为了说明上的方便，将偏差设定为0。
预测运算单元123，包含变化率存储部1231和变化率校正部1232。变化率存储部1231可以存储电流iTr的变化率(即电流值iK的变化率)，变化率校正部1232在所述变化率变动时，随时可以更新该变化率。
如图1所示，驱动信号发生单元124产生输送至开关21的控制端的信号D。
参照图3的时间图说明图1、图2表示的预测控制系统1的操作。
在通断开关21的周期开始时，驱动信号发生单元124将电源转换电路2内的开关21设为接通状态。
图3中的(a)表示产生1周期T的脉冲，图3中的(b)表示驱动信号发生单元124产生的开关21的信号D，用预定电平的信号接通开关21并驱动。如上述，电源转换电路2的输出EOUT(参照图3中的(d))以时钟CLCK2(参照图3中的(c))被采样(参照图3中的(e))，在开关21中流动的电流iTr也以时钟CLCK2被采样(参照图3中的(f))。
图3中的(f)以e0表示对应于电源转换电路2的输出E0的阈值，比较(电流iTr)·r与e0。
图3中的(g)表示电抗器23中的电流iL，图3中的(h)表示电源31的输出电压EIN。
数字比较单元121，如图4(图3中的(c)、(f)的放大图)所示，在采样时刻t1、t2、…t15、t16可以判断通过采样电路11检测出的采样实测值是否超过阈值e0。当采样实测值超过阈值e0时，驱动信号发生单元124将输送至开关21的信号D设定为0，关闭开关21。
当采样实测值未超过阈值e0时，预测在下次采样时刻(或者比下次采样时刻经过预定时间δt后)的采样值。采样单元可以根据采样值的变化率的直线近似来预测采样值，还可以通过指数曲线等曲线近似来预测采样值。
在第1次采样时刻，还可以预测第2次采样时的采样值(例如，将变化率设定为特定值)。在第1次采样时，只判断采样实测值是否超过阈值e0，也可以不需要预测采样值。此时，在第2次以后采样时，根据这次采样值对前一次采样值的变化率，预测下次的采样值。
当采样预测值未超过阈值e0时，维持开关的接通状态，当采样预测值超过阈值e0时，计算关闭开关的时刻，并在该时刻关闭所述开关。
采样电路11仅在N位数字值的后M位检测采样值，控制电路12根据该检测值预测采样值。
图5中，以aN…a4a3a2a1表示采样的电流值ik，以bN…b4b3b2b1表示采样的电压值ek。数字比较单元121由比较部1211和判断部1212构成，判断部1212可以根据比较部1211的比较结果来判断预测是否适当(正确或错误)(根据比较结果是否包含于预定范围内来进行判断)。
另外，在图5中，由于比较电流值ik(aN…a4a3a2a1)和电压值ek(bNv…b4b3b2b1)的低位(a4a3a2a1)和(b4b3b2b1)，因此，可以更加高速地进行处理。
可以配置为使得在采样电路11的N位数字值的后M位范围内进行检测。此时，控制电路12将采样预测值的范围作为N位数字值的后M位实测采样，当该采样实测值的后M位为“00…0”时，进行扩张预测范围的处理，当采样实测值的后M位为11…1时也进行扩张预测范围的处理，然后再次判断所述预测正确与否。
例如，当N＝8、M＝4时，通过采样电路11预测采样值为“1111 0000”～“1111 1111”，只检测后4位，其结果是，若检测出“0110”，则预测正确，所以没有必要扩张测定范围，若检测出“0000”值，则此时实际值可能为“11110000”或者“1110 1111”以下的值，因此，扩张检测范围并重新进行检测。此时，只扩张1位(即，不改变前3位“111”)，只要实际值在“1110 0000”～“1111 1111”范围内，则可以正确地检测。
另一方面，通过采样电路11预测采样值为“1110 0000”～“1110 1111”，只检测后4位，其结果是，若检测出“0110”，则预测正确，因此没有必要扩张测定范围，若检测出“0000”值，则实际值可能为“1110 0000”或者“11011111”以下的值。此时，将检测范围扩张2位并重新进行检测，只要实际值在“1100 0000”～“1111 1111”范围内则可以正确地检测。另外，在此例中，扩张2位，是因为将“1110 0000”仅缩小1(此时的值为“1101、1111”)也变化2位。如上所述，若只用采样电路11的N位数字值的后M位预测实际值时，必须扩张2位。
在所述实施方式中，说明了分别检测输出电压和开关电流来控制开关电流的实例，但是，本发明并不局限于此，还可以检测输入电压、输出电压、开关电流(或者电抗器电流)的瞬时值或者输出电流，以控制开关电流。
例如，也可以对电抗器23中流动的电流iL或续流二极管22中流动的电流iD进行采样来代替对开关21中流动的电流iTr进行采样，并将该值与电源转换电路2输出的检测值e0进行比较，推测开关21的关闭时间。
在所述实施方式中，说明了将本发明的预测控制系统适用在储能降压式电源转换电路的情况，本发明的预测控制系统，还可以适用在图6中的(A)表示的储能升压式电源转换电路，或者，图6中的(A)、(B)表示的储能升降压式电源转换电路。
在图6中的(A)的电源转换电路42中，电源431与电抗器423串联，并在电源431和电抗器423的串联电路上并联开关421。而且，在输出端，负载432与电容器424并联，在开关421和电抗器423的连接点与电容器424和负载432的连接点(与接地G相反侧的点)之间正接二极管422。如图6中的(A)所示，电流检测用电阻r可以与开关421串联设置，另外，可以从二极管422的后段(二极管422与电容器424和负载432的连接点)检测电源转换电路42的输出电压。
图6中的(B)的电源转换电路52中，电源531与变压器55的一次绕组551和开关521串联。而且，变压器55的二次绕组552正串联有二极管522，在二极管522的输出端和接地G之间并联有电容器524和负载532。如图6中的(B)所示，电流检测用电阻r可以与开关521串联设置，另外，可以从二极管522的后段(二极管522与电容器524和负载532的连接点)检测电源转换电路52的输出电压。
而且，本发明可适用于图7所示的逆变整流式电路，也可适用于图8所示的正向电路。
在图7的逆变整流式电路62，电源631的一端连接在变压器65的一次绕组651的中心抽头，开关6211连接在电源631的接地G侧的端子和变压器65的一端之间，并且，开关6212连接在电源631的接地G侧的端子和一次绕组651的另一端之间。
在变压器65的二次绕组652的两端分别正接有二极管6221和二极管6222，这两个二极管的阴极连接在电抗器623的一端。电抗器623的另一端连接到电容器624和负载632的并联电路，该并联电路的接地G侧的端子连接在变压器65的二次绕组652的中心抽头。
如图7所示，电流检测用电阻r可以与开关6211、6212串联设置。另外，电流检测用电阻r还可以与未图示的电源631串联设置。而且，可以从电抗器623的后段(电抗器623与电容器624和负载632的连接点)检测电源转换电路62的输出电压。
在图7的逆变整流式电路62中，例如偏移180交替输出的波形进行在图1至图5中示出的处理。
在图8的正向电路72中，电源731和开关721的串联电路连接在变压器75(由一次绕组751、二次绕组752以及二次绕组753构成)的一次绕组751，变压器75的二次绕组752正接二极管7222。在电源731和开关721的连接点与变压器75的三次绕组753的输入端之间正接二极管7221。变压器75的一次绕组751和三次绕组753被短路，二次绕组752与一次绕组751和三次绕组753绝缘，并在该绕组751、753之间接收电力。
二极管7222的阴极端连接在电抗器723的一端，而电抗器723的另一端连接在电容器724和负载732的并联电路上。而且，在二极管7222和电抗器723的连接点与接地G之间连接有续流二极管7223。
如图8所示，电流检测用电阻r可以与开关721串联设置。
并且，可以从电抗器723的后段(电抗器723与电容器724和负载732的连接点)检测电源转换电路72的输出电压。
而且，在所述预测控制系统中，可以将多个电源转换电路(DC/DC转换器)并列运转。此时，根据多个电压或电流的检测值，算出某个预定值，并将预定值与预定阈值进行比较，当达到阈值时，改变开关状态。具体而言，检测多个转换器的输出电流或输出电压与输出电流的乘积，进行预定的计算(例如平均值)，将其作为阈值比较各转换器的电流或电压与电流的乘积而能够使得各转换器的开关通断。
而且，电流型转换器将电抗器电流的三角波形的峰值和本底值作为阈值决定通断的延滞操作。这种转换器，对于多个检测值分别具有阈值，在分别达到阈值时改变开关状态。
在通断电源转换电路的开关的期间，通过多次判断该开关的通断状态的改变或预测该改变的时刻，从而能够高速控制。

Claims (8)

1.一种用于电源转换电路的预测控制系统，该预测控制系统通过通断开关，将输入侧的电力输送至输出侧，其特征在于，该预测控制系统包括第1采样单元和控制单元，
所述第1采样单元，在通断所述开关的一周期内，多次获取流动在所述电源转换电路内的(a)所述开关中的电流、(b)所述开关以外的元件的电流、(c)出现在所述开关的端电压、(d)出现在所述开关以外的元件的端电压中的一个或多个以作为第1采样实测值，
所述控制单元，
在采样时，判断所述第1采样实测值或根据所述第1采样实测值的值是否超过预定阈值(被设定在所述第1采样实测值或根据所述第1采样实测值的值减少的一侧的阈值或增加的一侧的阈值)的下限或上限，当所述值未超过所述预定阈值时，预测下次采样时刻的第1采样值的全部或一部分，
[1]当第1采样预测值未超过所述阈值时，维持所述开关的操作状态，
[2]当所述第1采样预测值超过所述阈值时，计算改变所述开关的操作状态的时刻并在该时刻改变所述开关的操作状态。
2.根据权利要求1所述的预测控制系统，其特征在于，所述电源转换电路为DC/DC转换器，所述第1采样实测值为在通断开关中流动的电流的实测值。
3.根据权利要求1或2所述的预测控制系统，其特征在于，所述控制单元通过至少根据前后2次第1采样实测值的直线近似或曲线近似来求所述第1采样预测值。
4.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的预测控制系统，其特征在于，所述第1采样单元仅在N位数字值的后M位对所述第1采样实测值进行采样，
所述控制单元仅在N位数字值的后M位对所述第1采样预测值进行采样，并且，仅在每个所述M位判断所述第1采样预测值是否超过所述预定阈值。
5.根据权利要求4所述的预测控制系统，其特征在于，所述控制单元在所述后M位的采样预测值的后M位为00…0或11…1时，将所述后M位扩张为M+2位，再次求采样预测值。
6.根据权利要求1至5中的任一项权利要求所述的预测控制系统，其特征在于，所述预测控制系统包括至少1个其它采样单元，该其它采样单元，在通断所述开关的一周期内，多次通过所述至少1个其它采样单元来获取每个采样实测值作为所述阈值。
7.根据权利要求6所述的预测控制系统，其特征在于，所述电源转换电路为DC/DC转换器，
根据所述其它采样单元的采样实测值是出现在电容器两端的电压的实测值。
8.根据权利要求6或7所述的预测控制系统，其特征在于，所述其它采样单元仅在N位数字值的后M位对每个采样实测值进行采样。
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