CN102334076B - 利用转移函数测量电源自适应控制的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用简单数字硬件测量系统（指的是工厂），如电源或马达，控制需要的参数的方法及系统。在一个实施例中，本发明用于测量所需参数的系统包括在工厂中实现转移函数测量功能的简单数字硬件。

Description

利用转移函数测量电源自适应控制的方法和系统

技术领域

本发明主要涉及自适应控制，尤其是涉及对于反馈或自适应控制所需系统参数的测量。

背景技术

一般意义上的反馈控制系统，尤其是电源，具有由未知的组件变化引起的性能和稳定性限制问题。为了达到高速瞬态性能，需要对若干关键参数进行精确测量。特别是，就电源来说，输出电容可能是未知的。这取决于一个事实，即电源负载具有电容，并且其与电源输出电容并联。通常，所述负载电容具有附加电容的形式，所述附加电容被加入到负载电路以改善高频特性，因此，这是必须的。

不幸的是，未知的负载电容和可能具有显著公差的其他组件会同时出现在电源中。一个相类似的情形可能会在马达控制中发生，其中，马达力矩常数和负载惯量对于高速控制来说都不是可以准确得知的。

考虑到要对这些未知的参数进行补偿，这就需要测量它们。一旦这些参数被测量出来，计算或增益调度就可能被用于将测量的参数映射到所需控制器增益。因此，这就需要有一个能够测量出所需参数的简单的数字硬件。

发明内容

在一个实施例中，本发明的系统包括激励源（stimulus source）和信号测量方法。在一个实例中，所述信号测量方法包括一个或多个相关器。在一个实施例中，所述激励源包括基函数源。在一个实例中，所述基函数可以是正弦函数。其他基函数的实例，例如，但不限于，方波或沃尔什函数，都包含在本发明的保护范围内。

在另一个实施例中，本发明的系统还可能包括补偿器组件，一个或多个处理器和计算机可用媒体。在一个实例中，所述计算机可用媒体包括体现在其中的计算机可读代码，并且所述计算机可读代码能够使得一个或多个处理器处理所述信号测量方法的结果和基于处理结果调整补偿器参数。

本发明系统的其他实施例以及本发明的方法也被公开。在一个实施例中，本发明的系统包括在电源中实现转移函数测量功能的简单数字硬件。用于实现转移函数测量功能的传统组件非常昂贵（一般在10000-30000美元之间）而且体积庞大。本发明能够使得转移函数测量功能以一个最合适的成本包含在电源中（一个实例中，在深亚微米CMOS中实现的成本小于一美分）。在一个实施例中，本发明用于测量这些未知参数的方法是基于利用本发明的简单硬件来测量稳定状态转移函数特性。然后这些转移函数特性通过常规技术与所述系统未知参数相关。

在一个实施例中，本发明的一开关电源包括，但不限于包括，包括至少两个电抗组件的电路。所述电路能够提供输出电压，并且能够从一个输出电压状态转换到另一个输出电压状态。所述系统进一步包括开关组件。所述开关组件能够有效地连接到电路并在开关状态之间对电路进行转换。所述开关状态包括两个输出电压状态。所述系统进一步包括驱动组件，所述驱动组件有效地连接驱动开关组件以在两个开关状态之间进行转换。以及一补偿器组件，所述补偿器组件有效地连接接收输入控制信号和参数，并且提供开关状态给所述驱动组件。所述系统进一步包括信号发生器，所述信号发生器提供具有同相和正交组分的正弦基准信号作为开关电源的输入，以及一相关器。所述相关器能够从信号发生器上接收基准信号，并能够从开关电源上接收电源信号。

所述相关器能够在电源信号和一个同相正交组分之间提供相关系数。所述系统还进一步包括处理器和计算机可读媒体。所述计算机可读媒体具有体现其中的第一计算机可读代码，该代码使得处理器能够基于相关系数获得转移函数，计算来自于转移函数的参数，以及将所述参数提供给补偿器。所述电源信号选择性地包括输出电源信号或输出电源信号和输入电源信号。所述信号发生器选择性地包括振荡器。所述振荡器包括，但不限于包括，提供所述同相组分和正交组分的值表（table of values），以及当获取表时随之更新的计数器。所述振荡器可以根据所述更新的计数器来获取值。所述振荡器可以基于前、后欧拉积分器产生同相组分和正交组分。所述相关器包括一对两个输入的乘积进行累加的累加器。所述计算机可读代码能够使得处理器将转移函数存储到计算机可读媒体中，并能够根据预定条件对所述转移函数进行调用。

在一个实施例中，本发明系统的控制器可能包括，但不限于包括，一信号发生器，所述信号发生器提供具有同相和正交组分的正弦基准信号作为系统的输入，以及一相关器。所述相关器能够从信号发生器上接收基准信号，并能够从系统上接收系统信号。所述相关器能够在系统信号和一个同相正交组分之间提供相关系数。所述控制器还进一步包括处理器和计算机可读媒体。所述计算机可读媒体具有体现其中的第一计算机可读代码，该代码使得处理器能够基于相关系数获得转移函数，计算来自于转移函数的参数，以及将所述参数提供给系统。所述信号发生器包括，但不限于包括，振荡器。所述振荡器包括，但不限于包括，提供所述同相组分和正交组分的值表，以及当获取表时随之更新的计数器。所述振荡器可以根据所述更新的计数器来获取值。所述振荡器可以基于前、后欧拉积分器选择性地产生同相组分和正交组分。所述计算机可读代码能够使得处理器将转移函数存储到计算机可读媒体中，并能够根据预定条件对所述转移函数进行调用。所述相关器包括，但不限于包括，对两个输入的乘积进行累加的累加器。

在一个实施例中，获得系统自适应控制参数的方法包括，但不限于包括，在电源中提供乘法组件、加法组件，以及延时组件以获取系统信号和正弦基准信号的一个同相和正交组分之间的相关系数步骤。所述方法进一步包括，基于相关系数获取转移函数特性，以及基于转移函数特性获取参数的步骤。所述系统信号选择性地包括输出系统信号或输出系统信号和输入系统信号。所述方法选择性地包括通过振荡器产生基准信号的步骤。产生基准信号的步骤包括，但不限于包括，使得基准信号的同相和正交组分与表值相关联，获取表时对计数器进行更新，以及根据所述更新的计数器获取值的步骤。所述方法进一步选择性地包括基于前、后欧拉积分器产生同相和正交组分，将转移函数特性存储到计算机可读媒体中，并根据预定条件对所述转移函数特性进行调用的步骤。 

附图说明

为了更好地理解本发明，并结合其他和进一步的要求，附图和具体内容描述将作为参考。

图1a是本发明系统的原理方框图，所述原理方框图包括产生激励信号的硬件数字发生器；

图1b是本发明系统的原理方框图，所述原理方框图包括产生正弦基准函数的查表振荡器；

图2是本发明系统的原理方框图，所述原理方框图包括利用了前、后欧拉积分器产生正弦信号的振荡器；

图3是包括累加器的本发明数字相关器的原理方框图；

图4a和4b是本发明系统的原理方框图，其中显示了四个数字相关器；

图4c是本发明系统的原理方框图，其中显示了对硬件和软件所作出的可能划分；

图5是本发明电容提取方法的原理方框图；

图6是是本发明电容提取替代方法的原理方框图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的系统，一示例性实施例如下所述。所述示例性实施例利用了降压式转换器拓扑结构。然而，本发明的方法适用于任何降压、升压、或降压-升压、前移、回归、单端初级电感、升降，或其他类型的通用变换器。通过这些许多不同类型的变换器，多种开关状态成为可能。例如，在降压-升压拓扑中，所述开关状态是降压、升压、降压-升压、电感器短路，和开路。在降压拓扑情况下，开关状态为充电、放电，和三态。本发明的方法和系统也可以应用于其他系统，例如，但不限于，马达控制系统。

在一个实施例中，所述测量通过将一信号注入电源来实现，通过这种方式来对未知电源组件进行激励。随后电源网络的输入和输出被测量出来。在一个实例中，上述讨论的电源网络的输入和输出利用相关系数被测量出来。从数学上讲，这是将信号映射到一已知函数上。这些已知函数被称之为基准函数。通过知道与原始信号中的每一个基准信号相乘的系数（也被称为尺寸），所述原始信号可以通过将测量映射作为比例系数使用来获得重构。如果已知函数是具有谐波关系的正弦曲线，结果即为傅里叶级数。应该注意的是，根据其他基准函数的其他级数展开也处于本发明的保护范围内。同时应该注意的是，本领域的普通技术人员将会认识到通过离散表示的级数展开和连续情况的积分表示之间的关系。

在本发明的一个实施例中，一对正交信号被用于输入和输出之间的相关系数。所述映射的是在基准函数频率上的基准组件的增益。这种技术所提供的求均值对于减少或有效消除噪声和负载电流灵敏度来说是必须的。为了简化测量分析，可能要用到正弦激励。（正弦曲线是线性系统的特征函数，其输入输出具有相同的形式）。其他的输入可能被用到，例如方波或沃尔什函数。这些会简化硬件，但是会以增加算法复杂度为代价。

现在参考图1a，在一个实施例中，本发明的系统包括，但不限于包括，硬件数字发生器23（也称为振荡器23），所述硬件数字发生器23能够产生对外部电源网络进行激励的正弦激励45。相关器19，能够在电源网络输入和输出终端、正弦激励45及其正交之间实现相关。相关系数17，所述相关器19的输出，代表输入和输出信号的复信号。所述转移函数按照输出信号和输入信号的比率进行计算。

现在参考图1b，为了产生所需的正弦和正交输入，振荡器23A可能会被用到。振荡器23A包括，但不限于包括，提供所述同相组分和正交组分的值表42，以及获取表42时随之更新的计数器41。振荡器23A可以根据更新的计数器来获取值。振荡器23A，能够通过多种方式来实现，通过计数器41对存有正弦值的表42进行周期性地取值就是一种方法。

现在参考图2，产生正弦信号及其正交的第二种方法包括提供振荡器23B，所述振荡器23B基于前、后欧拉积分器产生同相组分和正交组分。前、后积分器的各相位相互抵消，并且该网络在具有最小阻尼的谐振频率下构成环形。余弦积分器的初始条件决定了峰值。振荡频率由增益决定。所述增益值应为谐振频率rads/sec与采样周期的乘积。

现在参考图3，数字相关器19可以是，在一个实例中，将两个输入的乘积进行累加的累加器43。

现在参考图4a和4b，使用了四个数字相关器19（图4b）。一对数字相关器用于测量输入，另一对用于测量映射到所述两个正弦基准函数上的输出信号。振荡器23（图4a）和四个数字相关器19（图4b）可以，但不限于，在硬件中实现。四个结果值47通过复除法运算49进行处理。除法算法可以在硬件或软件中实现。一般地，负责映射测量参数和补偿器增益的系统处理器也可以执行除法功能。所述系统包括激励源、振荡器23（图4a），以及信号测量装置、四个相关器19（图4b）。其他的实施例，例如图1a所示的实施例，包括至少一个相关器。

现在参考图4c，本发明的开关电源包括，但不限于包括，包含至少两个电抗组件的电路。所述电路能够提供输出电压，以及能够从一个输出电压状态11转换到另一个输出电压状态11。所述开关电源进一步包括至少一个开关组件。所述开关组件有效地连接到电路并在至少两个开关状态31之间对电路进行转换。开关状态31包括输出电压状态11。所述开关电源进一步包括驱动组件12，所述驱动组件12有效地连接驱动开关组件以在各开关状态31之间进行转换。以及一补偿器组件29，所述补偿器组件29有效地连接接收输入控制信号33和参数32，并且提供开关状态31给所述驱动组件12。所述开关电源进一步包括信号发生器23，所述信号发生器23提供具有同相和正交组分的正弦基准信号21作为开关电源的输入，以及至少一个相关器19。所述相关器19能够从信号发生器23上接收基准信号21。相关器19能够从开关电源上接收电源信号25，并能够在电源信号25和一个同相和正交组分之间提供至少一个相关系数17。所述开关电源还进一步包括处理器13和计算机可读媒体15。所述计算机可读媒体15具有体现其中的计算机可读代码，该代码使得处理器13能够基于相关系数17获得转移函数38，计算来自于转移函数38的参数32，以及将所述参数32提供给补偿器组件29。电源信号25选择性地包括输出电源信号或输出电源信号和输入电源信号。所述计算机可读代码能够选择性地使得处理器13将转移函数38存储到计算机可读媒体15中，并能够根据预定条件从计算机可读媒体15中对所述转移函38数进行调用。

继续参考图4c，本系统的控制器可能包括，但不限于包括，信号发生器23，所述信号发生器23提供具有同相和正交组分的正弦基准信号21作为系统的输入，以及一相关器19。所述相关器19能够从信号发生器23上接收基准信号21，并能够从系统上接收系统信号25，以及能够在系统信号25和一个同相正交组分之间提供相关系数17。所述控制器还进一步包括处理器13和计算机可读媒体15。所述计算机可读媒体15具有体现其中的计算机可读代码，该代码使得处理器13能够获得基于相关系数17的转移函数38，计算来自于转移函数38的参数32，以及将所述参数32提供给系统。信号发生器23选择性地包括，但不限于包括，振荡器23A（图1b），所述振荡器23A包括提供所述同相组分和正交组分的值表42（图1b），以及当获取表42（图1b）时随之更新的计数器41。振荡器23A（图1b）可以根据所述更新的计数器来获取值。信号发生器23选择性地包括振荡器23B（图2），所述振荡器23B可以基于前、后欧拉积分器产生同相组分和正交组分。所述计算机可读代码能够使得处理器13将转移函数38存储到计算机可读媒体15中，并能够根据预定条件从计算机可读媒体15中对所述转移函数38进行调用。相关器19选择性地包括对两个输入的乘积进行累加的累加器43（图3）。

继续进一步参考图4c，显示了硬件和软件之间的可能划分。振荡器23和相关器19能够在硬件中实现，并且复除法运算能够在系统微处理器13中实现。系统微处理器13能够利用产生的参数32对补偿器29进行调整。这些调整可以利用在微处理器13中执行的传统闭合回路分析技术来实现。作为选择，这些对于不同测量的分析技术的结果能够存储在存储器15中，并基于电容或其他测量进行调用。系统100包括激励源基准信号21和信号测量方法相关器19。系统100还可能包括处理器13（如图所示，被称为微处理器）和具有计算机可读代码的计算机可用媒体（例如，存储器15），所述计算机可读代码使得处理器13对来自于信号测量装置（相关器19）的结果（例如，相关系数17）进行处理以获取参数32，并将那些参数32提供给补偿器29以用于调整补偿器29。在另一个实施例中，处理的结果能够被存储到计算机可用媒体（例如，存储器15）中，并且所述计算机可读代码使得处理器13能够基于预定条件对处理结果进行调用。

继续进一步参考图4c，每一个相关器19的结果，相关系数17，是：

当基准函数是正交正弦且测量信号是正弦时，信号为：

每一对相关器19，其正弦信号是：

因此，所述同相和正交相关器就与复信号的振幅成比例。注意，总间隔被选定为激励信号的M个周期，这样信号就是正交的，并且对角线项为零。因为仅对比率有兴趣（转移函数、阻抗等），所以比例常数省略了。

继续进一步参考图4c，获取系统自适应控制参数32的方法包括，但不限于包括，在电源中提供至少一个乘法组件61（图3），至少一个加法组件43（图3），以及至少一个延时组件63（图3）以获取至少一个带有正弦基准信号21的一个同相和正交组分的系统信号25的至少一个相关系数19的步骤。所述方法进一步包括，基于相关系数19获取转移函数特性，以及基于转移函数特性获取参数32的步骤。所述系统信号25选择性地包括输出系统信号或输出系统信号和输入系统信号。所述方法选择性地包括通过振荡器23产生基准信号21的步骤。产生基准信号21的步骤包括，但不限于包括，使得基准信号21的同相和正交组分与值表42（图1b）相关联，获取表42（图1b）时对计数器41（图1b）进行更新，以及根据所述更新的计数器来获取值的步骤。产生基准信号21的步骤包括，但不限于包括，基于前、后欧拉积分器产生同相和正交组分。所述方法选择性地包括将转移函数特性存储到计算机可读媒体15中，并根据预定条件从计算机可读媒体15中对所述转移函数特性进行调用的步骤。

现在参考图5，显示了电容提取方法的一个实施例。在该方法中，转移函数的倒数被测量出来，并且在假设电感已知的情况下利用实数部分51对负载电容53进行计算。电容53通过下式给出：

可以从图5看出，激励45被注入到反馈回路。当然也可以在补偿器29之后注入激励45。使用哪一种方法取决于频率和闭合回路带宽。

现在参考图6，显示了电容提取方法的另一实施例。在该实施例中，电容准入被测量，并且虚数部分55被用于计算负载电容53。电容53通过下式给出：

本发明所述系统的另一实施例包括图4a和4b中的方框图合成数字逻辑描述，不包括复除法运算。所述复除法运算可以在处理器13（图4c）中完成。

应该注意的是，虽然所述系统和方法通过电源的示例性实施例进行了描述，但应该知道的是本发明所述系统和方法能够适用于出电源以外的其他系统控制，例如，但不限于，马达控制。虽然本发明通过各种不同的实施例进行了描述，但应该认识到的是本发明能够适用于范围更为广泛的其他实施例，只要所述实施例处于所附权利要求的精神和保护范围内即可。

Claims (19)

1.一种开关电源，包括：

一包括至少两个电抗组件的电路，其中所述电路提供输出电压并能够从一个输出电压状态转换到另一个输出电压状态；

至少一个开关组件，所述至少一个开关组件有效地连接到所述电路，并在至少两个开关状态之间对所述电路进行转换，其中所述至少两个开关状态包括所述一个输出电压状态和所述另一个输出电压状态；

一驱动组件，所述驱动组件有效地连接驱动所述至少一个开关组件以在所述至少两个开关状态的两个开关状态之间进行转换；

一补偿组件，所述补偿组件有效连接接收输入控制信号和参数，并将所述至少两个开关状态提供给所述驱动组件；

一信号发生器，所述信号发生器提供具有同相和正交组分的正弦基准信号作为开关电源的输入；

至少一个相关器，所述至少一个相关器从所述信号发生器接收所述基准信号，所述至少一个相关器从开关电源接收至少一个电源信号，所述至少一个相关器在所述至少一个电源信号和所述同相和正交组分中的一个之间提供至少一个相关系数；以及

一处理器，所述处理器执行：

基于所述至少一个相关系数获取转移函数；

通过所述转移函数计算所述参数；以及

将所述参数提供给所述补偿组件。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述至少一个电源信号包含输出电源信号。

3.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述至少一个电源信号包含输出电源信号和输入电源信号。

4.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述信号发生器包含一振荡器，所述振荡器包括：一值表，所述值表提供所述同相组分和正交组分；以及

一计数器，当值表被获取时所述计数器随之更新，其中所述振荡器根据更新的计数器来获取所述值。

5.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述信号发生器包含一振荡器，所述振荡器基于前、后欧拉积分器产生所述同相和正交组分。

6.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述至少一个相关器包含一对两个输入的乘积进行累加的累加器。

7.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述处理器执行：

将所述转移函数存储到计算机可读媒体中；以及

根据预定条件从计算机可读媒体中对所述转移函数进行调用。

8.一种系统控制器，包括：

一信号发生器，所述信号发生器提供具有同相和正交组分的正弦基准信号作为系统的输入；至少一个相关器，所述至少一个相关器从信号发生器上接收所述基准信号，所述至少一个相关器从系统上接收至少一个系统信号，所述至少一个相关器在至少一个系统信号和所述同相和正交组分中的一个之间提供至少一个相关系数；以及

一处理器，处理器能够执行：

基于所述至少一个相关系数获得转移函数；

通过所述转移函数计算参数；以及

将所述参数提供给系统。

9.根据权利要求8所述的控制器，其中所述信号发生器包含一振荡器，所述振荡器包括：

一值表，所述值表提供所述同相组分和正交组分；以及

一计数器，当值表被获取时所述计数器随之更新，其中所述振荡器根据更新的计数器来获取所述值。

10.根据权利要求8所述的控制器，其中所述信号发生器包含一振荡器，所述振荡器基于前、后欧拉积分器产生所述同相和正交组分。

11.根据权利要求8所述的控制器，所述处理器执行：

将所述转移函数存储到计算机可读媒体中；以及

根据预定条件从计算机可读媒体中对所述转移函数进行调用。

12.根据权利要求8所述的控制器，其中所述至少一个相关器包含一对两个输入的乘积进行累加的累加器。

13.一种获得系统自适应控制参数的方法，所述方法包括：

在电源中提供至少一个乘法组件，至少一个加法组件，以及至少一个延时组件，以获取至少一个系统信号和正弦基准信号的同相和正交组分中的一个之间的至少一个相关系数；

基于所述至少一个相关系数获取转移函数特性；以及

基于转移函数特性获取参数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个系统信号包含输出系统信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个系统信号包含输出系统信号和输入信号。

16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

通过振荡器产生基准信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述产生基准信号的步骤包括：

使得所述基准信号的同相组分和正交组分与值表相关；

获取值表时更新计数器；以及

根据所述更新的计数器来获取值。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述产生基准信号的步骤包括：

基于前、后欧拉积分器产生同相和正交组分。

19.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

将转移函数特性存储进计算机可读媒体；以及

根据预定条件从计算机可读媒体中对所述转移函数特性进行调用。

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