CN103336426B - 使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法 - Google Patents

使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法 Download PDF

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Abstract

使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法，包括第一、第二、第三控制单元、逻辑单元及隔离单元；第一控制单元比较由变换器输出端得到的第一参数反馈值和第一参数参考值并输出第一参数误差控制信号；第二控制单元比较第二参数反馈值和第二参数参考值并输出第二参数误差控制信号；第三控制单元比较第三参数反馈值和第三参数参考值并输出第三参数误差控制信号；逻辑单元选择最小的经隔离单元输出到变换器的驱动电路控制变换器输出特性；上述装置及方法通过逻辑单元选择三者中输出的最低值作为控制信号输出进行多环路切换控制，保证环路之间顺利切换，实现多控制对象控制以达到变换器输出特性对负载输出特性的拟合，提高控制精度。

Description

使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法
技术领域
本发明涉及电源输出控制电源，特别是涉及一种使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法。
背景技术
传统的环路控制多采用单环或者双环控制实现系统的稳定，通过输出电压反馈或者输出电流反馈，得到相应的误差，采用PID控制方式或者其他控制方式，完成对开关变化器输出电流和输出电压的控制。中国专利文献CN102227867A是本发明最接近的现有技术。目前，主要的控制方式有PID控制，模糊控制，神经网络控制等，但都很难保证变换器输出满足负载输出特性要求。
发明内容
基于此，有必要提供一种使变换器输出特性与负载特性拟合的装置。
同时，提供一种使变换器输出特性与负载特性拟合的方法。
.一种使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，包括第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、逻辑单元以及隔离单元；所述第一控制单元比较由变换器输出端得到的第一参数反馈值和第一参数参考值，并输出第一参数误差控制信号；所述第二控制单元比较由变换器输出端得到的第二参数反馈值和第二参数参考值，并输出第二参数误差控制信号；所述第三控制单元比较由变换器输出端得到的第三参数反馈值和第三参数参考值，并输出第三参数误差控制信号；所述第一、第二和第三参数误差控制信号分别输入到所述逻辑单元的不同的输入端，并在所述逻辑单元中选择其值最小的一个通过其输出端传输到所述隔离单元输入端，经过所述隔离单元的输出端并作为控制信号输送到变换器的驱动电路；所述驱动电路依据接收到的控制信号控制变换器输出特性。
在优选的实施例中，所述逻辑单元通过逻辑与确定其值最小的误差控制信号。
在优选的实施例中，所述第一控制单元是电压控制单元，所述第一参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电压值，所述第一参数惨考数值是电压参考值；所述第二控制单元是电流控制单元，所述第二参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电流值，所述第二参数考数值是电流参考值；所述第三控制单元是功率控制单元，所述第三参数反馈值由所述第一参数反馈值和第二参数反馈值运算而得，所述第三参数参考值是功率参考值。
在优选的实施例中，还包括乘法单元，所述乘法单元将所述第一参数反馈值和第二参数反馈值相乘，并将乘积作为第三参数反馈值输出到所述第三控制单元。
在优选的实施例中，所述第一、第二和第三控制单元分别采用PID控制方法得到各自的参数误差控制信号。
在优选的实施例中，所述第一控制单元包括：接收变换器输出端反馈的反馈电压值、并采用PID控制方式得到电压误差控制信号的第一PID控制器；所述第二控制单元包括：接收变换器输出端反馈的反馈电流值、并采用PID控制方式得到电流误差控制信号的第二PID控制器；所述第三控制单元包括：接收所述乘法单元运算得出的第三参数反馈值的第三PID控制器；所述第一PID控制器的反相输入端接收变换器输出端反馈的反馈电压值，所述第一PID控制器的同相输入端接收电压参考值；所述第二PID控制器的反相输入端接收变换器输出端反馈的反馈电流值，所述第二PID控制器的同相输入端接收电流参考值；所述第三PID控制器的反相输入端接收所述乘法单元运算得出的第三参数反馈值，所述第三PID控制器的同相输入端接收功率参考值；所述第一PID控制器、第二PID控制器及第三PID控制器各自的反相输入端分别通过电阻、电容接入各自的输出端，构成PID环节。
在优选的实施例中，所述逻辑单元包括：与所述第一PID控制器的输出端连接的二极管D1、与所述第二PID控制器的输出端连接的二极管D2、及与所述第三PID控制器的输出端连接的二极管D3；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的负极分别对应接入到所述第一PID控制器、所述第二PID控制器、所述第三PID控制器的输出端，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的正极连接后通过电阻R0接入供电电源。
一种使变换器输出特性与负载特性拟合的方法，
A)分别取得第一参数、第二参数和第三参数的参考值，并分别得到第一参数、第二参数和第三参数的反馈值；
B)比较第一参数参考值和第一参数反馈值运算，得到第一参数误差控制信号；比较第二参数参考值和第二参数反馈值运算，得到第二参数误差控制信号；比较第三参数参考值和第三参数反馈值运算，得到第三参数误差控制信号；
C)比较上述三个误差信号，并将其值最小的一个作为控制信号通过隔离单元输送到该变换器的驱动单元，控制该变换器的输出。
在优选的实施例中，所述步骤C)中，通过逻辑与确定其值最小的误差控制信号；所述第一参数反馈值是由所述变换器输出端反馈的反馈电压值，所述第一参数参考数值是电压参考值；所述第二参数反馈值是由所述变换器输出端反馈的反馈电流值，所述第二参数考数值是电流参考值；所述第三参数反馈值由所述第一参数反馈值和第二参数反馈值运算而得，所述第三参数参考值是功率参考值。
在优选的实施例中，所述步骤B)中，分别通过PID控制方法得到所述第一、第二和第三参数误差控制信号。
上述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法设置有第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元进行多环控制，且第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元与逻辑单元连接，逻辑单元选择控制三者中输出的最低值作为前级控制信号输出以进行多环路之间的切换控制，保证环路之间顺利切换，多环路切换实现多控制对象的控制以达到变换器输出特性对负载输出特性的拟合，有效的提高了控制的精度，同时避免了环路切换过程中导致的竞争。
附图说明
图1为本发明一实施例的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置的示意图；
图2为本发明另一具体实施例的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置的一示意图；
图3为负载输出特性曲线示意图；
图4为本发明一实施例的使变换器输出特性与负载特性拟合的方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例的一种使变换器输出特性与负载特性拟合的装置100，包括第一控制单元102、第二控制单元104、第三控制单元106、逻辑单元108、以及隔离单元110。
第一控制单元102比较由变换器输出端得到的第一参数反馈值与第一参数参考值，且输出第一参数误差控制信号。
第二控制单元104比较由变换器输出端得到的第二参数反馈值和第二参数参考值，并输出第二参数误差控制信号。
第三控制单元106比较由变换器输出端得到的第三参数反馈值和第三参数参考值，并输出第三参数误差控制信号。
第一、第二和第三参数误差控制信号分别输入到逻辑单元108的不同的输入端，并在逻辑单元108中选择其值最小的一个通过其输出端传输到隔离单元110输入端，经过隔离单元110的输出端并作为控制信号输送到变换器的驱动电路。驱动电路依据接收到的控制信号控制变换器输出特性。
进一步，本实施例的逻辑单元108通过逻辑与确定其值最小的误差控制信号。
本实施例中，优选的，隔离单元110可选用变压器T1。
如图1及图2所示，进一步，优选的，本实施例的第一控制单元102是电压控制单元。第一参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电压值，第一参数惨考数值是电压参考值。
进一步，优选的，本实施例的第二控制单元104是电流控制单元。第二参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电流值，第二参数考数值是电流参考值。
进一步，优选的，本实施例的第三控制单元106是功率控制单元。第三参数反馈值由第一参数反馈值和第二参数反馈值运算而得，第三参数参考值是功率参考值。
进一步，本实施例的装置100还包括乘法单元。乘法单元将第一参数反馈值和第二参数反馈值相乘，并将乘积作为第三参数反馈值输出到第三控制单元106。进一步，本实施例的乘法单元优选的为乘法器T0。
进一步，本实施例的第一、第二和第三控制单元102、104、106分别采用PID控制方法得到各自的参数误差控制信号。
进一步，本实施例的第一控制单元102包括：接收变换器输出端反馈的反馈电压值、并采用PID控制方式得到电压误差控制信号的第一PID控制器PID1。第二控制单元104包括：接收变换器输出端反馈的反馈电流值、并采用PID控制方式得到电流误差控制信号的第二PID控制器PID2。
第三控制单元106包括：接收乘法单元运算得出的第三参数反馈值的第三PID控制器PID3。
进一步，本实施例的第一PID控制器PID1的反相输入端接收变换器输出端反馈的反馈电压值，第一PID控制器PID1的同相输入端接收电压参考值。
进一步，本实施例的第二PID控制器PID2的反相输入端接收变换器输出端反馈的反馈电流值，第二PID控制器PID2的同相输入端接收电流参考值。
进一步，本实施例的第三PID(P比例-I积分-D微分)控制器PID3的反相输入端接收乘法单元运算得出的第三参数反馈值。第三PID控制器的同相输入端接收功率参考值。第一PID控制器PID1、第二PID控制器PID2及第三PID控制器PID3各自的反相输入端分别通过电阻、电容接入各自的输出端，构成PID环节。
如图1至图2所示，进一步，本实施例的逻辑单元108包括：与第一PID控制器PID1的输出端连接的二极管D1、与第二PID控制器PID2的输出端连接的二极管D2、及与第三PID控制器PID3的输出端连接的二极管D3。
进一步，本实施例的二极管D1、二极管D2、二极管D3的负极分别对应接入到第一PID控制器PID1、第二PID控制器PID2、第三PID控制器PID3的输出端。二极管D1、二极管D2、二极管D3的正极连接后通过电阻R0接入供电电源VCC。
优选的，本实施例的第一、第二和第三控制单元102、104、106分别为电压控制单元即电压环、电流控制单元即电流环、功率控制单元即功率环。
第一PID(比例-积分-微分)控制器PID 1、第二PID(比例-积分-微分)控制器PID 2及第三PID控制器PID 3的输出端通过二极管实现逻辑“与”连接，并控制将第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2及第三PID控制器PID 3三者中输出的最低值作为前级控制信号输出。
进一步，本实施例的变换器的输出电压经衰减后接入到第一PID控制器PID 1的反相输入端，第一PID控制器PID 1的同相输入端接电压参考值Vref。变换器的输出电流经衰减后接入到第二PID控制器PID 2的反相输入端，第二PID控制器PID 2的同相输入端接电流参考值Iref。乘法器T0输出端接入到第三PID控制器PID 3的反相输入端、该第三PID控制器PID3的同相输入端接功率参考值Pref。
优选的，本实施例的第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2、第三PID控制器PID 3的输出端各自分别通过接入二极管D1、D2、D3后连接，构成逻辑“与”关系，即第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2、第三PID控制器PID 3三者同时作用。
第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2、第三PID控制器PID 3的输出端组成逻辑“与”关系，设第一PID控制器PID1输出为V1，第二PID控制器PID2输出为V2，第三PID控制器PID3输出为V3，则当V1<V2<V3时，此时二极管D1导通，此时输入到变压器T1端的电压由V1决定；依次类推，第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2、第三PID控制器PID 3中，哪一个输出最低，逻辑单元108中选择其值最小的一个通过其输出端传输到隔离单元110输入端，输出最低的就会使另外的两个被钳位。当V1＝V2＝V3时，三者输出相同，此时由三者共同决定。
进一步，本实施例的第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2、第三PID控制器PID 3的输出端分别通过电阻R1、R2、R3接入各自的连接的二极管D1、D2、D3的负极。二极管D1、D2、D3的正极连接后接入供电电源端VCC。
本实施例的第一PID控制器PID 1的反相输入端依次通过电阻R4、电容C1接入到二极管D1的负极，同时二极管D1的负极通过接入电阻R7接地；本实施例的第二PID控制器PID2的反相输入端依次通过电阻R5、电容C2接入到二极管D2的负极，同时二极管D2的负极通过接入电阻R8后接地；本实施例的第三PID控制器PID 3的反相输入端依次通过电阻R6、电容C3接入到二极管D3的负极，同时二极管D3的负极通过接入电阻R9后接地。
进一步，本实施例的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置100输出作为前级控制信号，通过磁隔离方式将该控制信号传递给变压器T1的原边的控制器。
进一步，本实施例的电压环与功率环为变换器的输出控制环。电流环作为变换器输出电流的限流输出。
如图4所示，本发明一实施例的一种使变换器输出特性与负载特性拟合的方法，包括如下步骤：
S301，A)分别取得第一参数、第二参数和第三参数的参考值，并分别得到第一参数、第二参数和第三参数的反馈值；
S303，B)比较第一参数参考值和第一参数反馈值运算，得到第一参数误差控制信号；比较第二参数参考值和第二参数反馈值运算，得到第二参数误差控制信号；比较第三参数参考值和第三参数反馈值运算，得到第三参数误差控制信号；
S305，C)比较上述三个误差信号，并将其值最小的一个作为控制信号通过隔离单元输送到该变换器的驱动单元，控制该变换器的输出。
进一步，本实施例的步骤C)中，通过逻辑与确定其值最小的误差控制信号；第一参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电压值，第一参数参考数值是电压参考值；第二参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电流值，第二参数考数值是电流参考值；第三参数反馈值由第一参数反馈值和第二参数反馈值运算而得，所述第三参数参考值是功率参考值。
进一步，本实施例的步骤B)中，分别通过PID控制方法得到第一、第二和第三参数误差控制信号。
变换器输出电压反馈值VFB给电压环的第一PID控制器PID 1，第一PID控制器PID1将输出电压反馈值VFB与电压参考值Vref比较后得出相应的电压误差控制信号，利用该电压误差信号采用PID控制方式控制变换器的输出电压。
变换器输出电流反馈值IFB给电流环的第二PID控制器PID 2，第二PID控制器PID 2将输出电流反馈值IFB与电流参考值Iref比较后得出相应的电流误差控制信号，利用该电流误差控制信号采用PID控制方式控制变换器的输出电流。
利用乘法器T0运算求出变换器输出电压反馈值VFB与输出电流反馈值IFB的乘积、并将该乘积反馈给第三PID控制器PID 3作为输出功率反馈值，第三PID控制器PID 3将输出功率反馈值与功率参考值Pref比较后得出相应的功率误差控制信号，利用该功率误差控制信号采用PID控制方式控制变换器的输出功率。
第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2及第三PID控制器PID 3的输出端构成逻辑“与”关系，并将第一PID控制器PID 1、第二PID控制器PID 2及第三PID控制器PID 3三者输出端中输出的最低值作为前级控制信号输出。
本实施例的第一PID控制器PID 1的反相输入端依次通过电阻R4、电容C1接入到二极管D1的负极，同时二极管D1的负极通过接入电阻R7接地；本实施例的第二PID控制器PID2的反相输入端依次通过电阻R5、电容C2接入到二极管D2的负极，同时二极管D2的负极通过接入电阻R8后接地；本实施例的第三PID控制器PID 3的反相输入端依次通过电阻R6、电容C3接入到二极管D3的负极，同时二极管D3的负极通过接入电阻R9后接地。
进一步，本实施例的多环路切换控制电路100输出的作为前级控制信号，通过磁隔离方式将该控制信号传递给功率变压器T1原边的控制器。
进一步，本实施例的电压环与功率环为变换器的输出控制环。电流环作为变换器输出电流的限流输出。
本发明采用电压、电流、功率作为变换器的主要控制对象，而对于三个对象共同作用下的变换器，其输出特性由负载决定，通过改变电压参考，电流参考及功率参考，可以有效的实现变换器输出特性与负载输出特性的拟合。该类电源可广泛应用于汽车，新能源，计算机，航空航天等领域。
本发明的多环路切换控制电路100可有效实现系统的稳定，同时改善变换器的动态特性，通过反馈输出电压、输出电流，得到相应的误差，采用PID控制方式完成对开关变化器输出电流和输出电压的精确控制。如图2所示，为本发明的变换器的输出拟合的负载输出特性曲线，其负载主要为恒功率特性，同时需要满足在一定的稳压和限流输出特性。
对于如图3所示的负载输出特性曲线，为保证变换器输出特性与负载输出特性一致，需同时考虑变换器的输出电压、输出电流及输出功率，三者存在一定的关系，且需保证环路之间即电压环路、电流环路、功率环路之间顺利切换并且不产生相互的竞争。
相对传统PID控制方式，其主要针对单一的控制对象进行控制以实现对变换器输出电压和电流的控制；而本发明主要对于多个环路同时作用条件下，负载输出特性有一定要求的控制，单一变量很难实现，本发明中提出的采用多环路切换实现多控制对象的控制以达到对负载输出特性的拟合，有效的提高了控制的精度，避免了环路切换过程中导致的竞争。
本发明的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置及方法采用多环路切换控制实现变换器与负载输出特性拟合。变换器的反馈信号为输出电压和输出电流，同时通过乘法器将输出电压反馈信号与输出电流反馈信号二者的乘积求出，并作为功率反馈信号，其中对反馈电流、电压及功率分别给定参考值，电压环和功率环作为变换器的输出控制环，电流环作为变换器输出电流的限流输出，且通过PID控制器的输出端的二极管相互之间构成逻辑“与”关系，即三者同时作用，取其最低值为最终前级控制信号，通过磁隔离方式，将该控制信号传递至原边，最后实现对变换器输出特性的控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于，包括第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、逻辑单元以及隔离单元；所述第一控制单元比较由变换器输出端得到的第一参数反馈值和第一参数参考值，并输出第一参数误差控制信号；所述第二控制单元比较由变换器输出端得到的第二参数反馈值和第二参数参考值，并输出第二参数误差控制信号；所述第三控制单元比较由变换器输出端得到的第三参数反馈值和第三参数参考值，并输出第三参数误差控制信号；所述第一、第二和第三参数误差控制信号分别输入到所述逻辑单元的不同的输入端，并在所述逻辑单元中选择其值最小的一个通过其输出端传输到所述隔离单元输入端，经过所述隔离单元的输出端并作为控制信号输送到变换器的驱动电路；所述驱动电路依据接收到的控制信号控制变换器输出特性。
2.根据权利要求1所述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于，所述逻辑单元通过逻辑与确定其值最小的误差控制信号。
3.根据权利要求2所述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于，所述第一控制单元是电压控制单元，所述第一参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电压值，所述第一参数参考值是电压参考值；所述第二控制单元是电流控制单元，所述第二参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电流值，所述第二参数参考值是电流参考值；所述第三控制单元是功率控制单元，所述第三参数反馈值由所述第一参数反馈值和第二参数反馈值运算而得，所述第三参数参考值是功率参考值。
4.根据权利要求3所述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于，还包括乘法单元，所述乘法单元将所述第一参数反馈值和第二参数反馈值相乘，并将乘积作为第三参数反馈值输出到所述第三控制单元。
5.根据权利要求4所述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于，所述第一、第二和第三控制单元分别采用PID控制方法得到各自的参数误差控制信号。
6.根据权利要求5所述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于，所述第一控制单元包括：接收变换器输出端反馈的反馈电压值、并采用PID控制方式得到电压误差控制信号的第一PID控制器；所述第二控制单元包括：接收变换器输出端反馈的反馈电流值、并采用PID控制方式得到电流误差控制信号的第二PID控制器；所述第三控制单元包括：接收所述乘法单元运算得出的第三参数反馈值的第三PID控制器；所述第一PID控制器的反相输入端接收变换器输出端反馈的反馈电压值，所述第一PID控制器的同相输入端接收电压参考值；所述第二PID控制器的反相输入端接收变换器输出端反馈的反馈电流值，所述第二PID控制器的同相输入端接收电流参考值；所述第三PID控制器的反相输入端接收所述乘法单元运算得出的第三参数反馈值，所述第三PID控制器的同相输入端接收功率参考值；所述第一PID控制器、第二PID控制器及第三PID控制器各自的反相输入端分别通过电阻、电容接入各自的输出端，构成PID环节。
7.根据权利要求6所述的使变换器输出特性与负载特性拟合的装置，其特征在于， 所述逻辑单元包括：与所述第一PID控制器的输出端连接的二极管D1、与所述第二PID控制器的输出端连接的二极管D2、及与所述第三PID控制器的输出端连接的二极管D3；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的负极分别对应接入到所述第一PID控制器、所述第二PID控制器、所述第三PID控制器的输出端，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的正极连接后通过电阻R0接入供电电源。
8.一种使变换器输出特性与负载特性拟合的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A）分别取得第一参数、第二参数和第三参数的参考值，并分别得到第一参数、第二参数和第三参数的反馈值；
B）比较第一参数参考值和第一参数反馈值运算，得到第一参数误差控制信号；比较第二参数参考值和第二参数反馈值运算，得到第二参数误差控制信号；比较第三参数参考值和第三参数反馈值运算，得到第三参数误差控制信号；
C）比较上述三个误差信号，并将其值最小的一个作为控制信号通过隔离单元输送到该变换器的驱动单元，控制该变换器的输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤C）中，通过逻辑与确定其值最小的误差控制信号；所述第一参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电压值，所述第一参数参考数值是电压参考值；所述第二参数反馈值是由变换器输出端反馈的反馈电流值，所述第二参数考数值是电流参考值；所述第三参数反馈值由所述第一参数反馈值和第二参数反馈值运算而得，所述第三参数参考值是功率参考值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤B）中，分别通过PID控制方法得到所述第一、第二和第三参数误差控制信号。
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