CN106230064A - 一种充电机闭环控制方法 - Google Patents

一种充电机闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种充电机闭环控制方法，充电机的输出功率采用PID算法控制，输出功率的范围为电压范围，输出功率的PID调节结果作为下一步输出电压进行PID算法控制中的电压的参考值；输出电压采用PID算法控制，输出电压的范围为电流范围，输出电压的PID调节结果作为下一步输出电流进行PID算法控制中的电流的参考值；输出电流采用PID算法控制，输出电流的范围为PWM波的占空比范围，输出电流的PID调节结果作为PWM波的占空比。本发明能够稳定的输出电流，电流误差在0.8％以内，应用范围更广，更方便，充电曲线更加平顺。

Description

一种充电机闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种充电机闭环控制方法。
背景技术
PID算法被广泛应用在工业控制中，是一种万能算法。电流，电压，温度，压力，流量，流速等被控参数都可以使用PID算法控制。它具有应用面广，易于实现，原理简单等优点，且不依赖被控制对象模型，控制所需的信息量也少，通过参数调整也可以获得很好的控制效果。PID算法从问世到现在已经历半个多世纪，在这几十年间，它成为工业控制中主要和可靠的技术工具。即使在微积分处理技术飞速发展的今天，过程控制中大部分控制规律都未能脱离PID控制，这充分说明了PID控制具有很强的生命力。
在未采用PID算法时，充电机没法很好的控制功率，电流，电压。由于充电机在大电流充电时，有很大的纹波。纹波进而影响电压电流的AD采样值。AD采样的波动会导致输出电流的波动。再加上电流互感器的参数差异，经常导致充电机电流过大而炸机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种充电机闭环控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种充电机闭环控制方法，充电机的输出功率采用PID算法控制，输出功率的范围为电压范围，输出功率的PID调节结果作为下一步输出电压进行PID算法控制中的电压的参考值；
输出电压采用PID算法控制，输出电压的范围为电流范围，输出电压的PID调节结果作为下一步输出电流进行PID算法控制中的电流的参考值；
输出电流采用PID算法控制，输出电流的范围为PWM波的占空比范围，输出电流的PID调节结果作为PWM波的占空比。
所述的一种充电机闭环控制方法，采用如下公式进行控制：
首先配置控制的参数：P_ref,P_max,P_min,U_max,U_min，I_max,I_min；
P_ref为参考功率，P_max为输出功率的范围最大值，P_min为输出功率的范围最小值，U_max为输出电压的范围最大值，U_min为输出电压的范围最小值，I_max为输出电流的范围最大值，I_min为输出电流的范围最小值；
(1)功率调节控制：
误差计算：Err＝P_ref-P_tf，P_tf为反馈回来的瞬时功率；
比例输出：P_Up＝Pw.Kp*Err,Pw.Kp为功率调节时的比例系数；
积分输出：P_Ui＝P_Ui+Pw.Ki*P_Up+Pw.Kc*SatErr,Pw.Ki为功率调节时的积分系数，Pw.Kc为功率调节时的积分系数校正；
微分输出：P_Ud＝Pw.Kd*(P_Up-P_Up1),Pw.Kd为功率调节时的微分系数，P_Up1为上一次的P_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝P_Up+P_Ui+P_Ud；
计算输出功率：若P_min≤Outpresat≤P_max时P_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜P_min时P_OUT＝P_min；若Outpresat＞P_max时P_OUT＝P_max；
计算饱和差：SatErr＝P_OUT-Outpresat；
P_OUT值赋值给U_ref,U_ref作为电压参考值，开始电压调节控制；
(2)电压调节控制：
误差计算：Err＝U_ref-U_tf，U_tf为反馈回来的瞬时电压；
比例输出：U_Up＝Uo.Kp*Err,Uo.Kp为电压调节时的比例系数；
积分输出：U_Ui＝U_Ui+Uo.Ki*U_Up+Uo.Kc*SatErr,Uo.Ki为电压调节时的积分系数，Uo.Kc为电压调节时的积分系数校正；
微分输出：U_Ud＝Uo.Kd*(U_Up-U_Up1),Uo.Kd为电压调节时的微分系数，U_Up1为上一次的U_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝U_Up+U_Ui+U_Ud；
计算输出功率：若U_min≤Outpresat≤U_max时U_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜U_min时U_OUT＝U_min；若Outpresat＞U_max时U_OUT＝U_max；
计算饱和差：SatErr＝U_OUT-Outpresat；
U_OUT值赋值给I_ref,I_ref作为电流参考值，开始电流调节控制；
(3)电流调节控制：
误差计算：Err＝I_ref-I_tf，I_tf为反馈回来的瞬时电流；
比例输出：I_Up＝Io.Kp*Err,Io.Kp为电流调节时的比例系数；
积分输出：I_Ui＝I_Ui+Io.Ki*I_Up+Io.Kc*SatErr,Io.Ki为电流调节时的积分系数，Io.Kc为电流调节时的积分系数校正；
微分输出：I_Ud＝Io.Kd*(I_Up-I_Up1),Io.Kd为电流调节时的微分系数，I_Up1为上一次的I_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝I_Up+I_Ui+I_Ud；
计算输出功率：若I_min≤Outpresat≤I_max时I_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜I_min时I_OUT＝I_min；若Outpresat＞I_max时I_OUT＝I_max；
计算饱和差：SatErr＝I_OUT-Outpresat。
本发明的有益效果是：本发明采用套嵌式的PID算法，用功率控制电压，电压控制电流，电流控制PWM波的占空比，PWM波的占空比影响电流，电流又影响功率，通过这么一个闭环控制，能够将各个参数稳定的限制在合适的范围中。
本发明能够稳定的输出电流，电流误差在0.8％以内，应用范围更广，更方便，充电曲线更加平顺。
具体实施方式
本发明的一种充电机闭环控制方法，充电机的输出功率采用PID算法控制，输出功率的范围为电压范围，输出功率的PID调节结果作为下一步输出电压进行PID算法控制中的电压的参考值；
输出电压采用PID算法控制，输出电压的范围为电流范围，输出电压的PID调节结果作为下一步输出电流进行PID算法控制中的电流的参考值；
输出电流采用PID算法控制，输出电流的范围为PWM波的占空比范围，输出电流的PID调节结果作为PWM波的占空比。
所述的一种充电机闭环控制方法，采用如下公式进行控制：
首先配置控制的参数：P_ref,P_max,P_min,U_max,U_min，I_max,I_min；
P_ref为参考功率，P_max为输出功率的范围最大值，P_min为输出功率的范围最小值，U_max为输出电压的范围最大值，U_min为输出电压的范围最小值，I_max为输出电流的范围最大值，I_min为输出电流的范围最小值；
例如：P_ref＝3000W，P_max＝415V，P_min＝200V,U_max＝10A,U_min＝0A，I_max＝99％，I_min＝2％。
(1)功率调节控制：
误差计算：Err＝P_ref-P_tf，P_tf为反馈回来的瞬时功率；
比例输出：P_Up＝Pw.Kp*Err,Pw.Kp为功率调节时的比例系数；如Pw.Kp设为0.03，按比例减小功率差,比例的大小将影响调节的快慢；
积分输出：P_Ui＝P_Ui+Pw.Ki*P_Up+Pw.Kc*SatErr,Pw.Ki为功率调节时的积分系数，Pw.Kc为功率调节时的积分系数校正；如Pw.Ki设为0.2,Pw.Kc设为0.02；
微分输出：P_Ud＝Pw.Kd*(P_Up-P_Up1),Pw.Kd为功率调节时的微分系数，如Pw.Kd设为0.0，P_Up1为上一次的P_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝P_Up+P_Ui+P_Ud；
计算输出功率：若P_min≤Outpresat≤P_max时P_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜P_min时P_OUT＝P_min；若Outpresat＞P_max时P_OUT＝P_max；
计算饱和差：SatErr＝P_OUT-Outpresat；
P_OUT值赋值给U_ref,U_ref作为电压参考值，开始电压调节控制；
(2)电压调节控制：
误差计算：Err＝U_ref-U_tf，U_tf为反馈回来的瞬时电压；
比例输出：U_Up＝Uo.Kp*Err,Uo.Kp为电压调节时的比例系数；如Uo.Kp设为0.12；
积分输出：U_Ui＝U_Ui+Uo.Ki*U_Up+Uo.Kc*SatErr,Uo.Ki为电压调节时的积分系数，Uo.Kc为电压调节时的积分系数校正；如Uo.Ki设为0.2,Uo.Kc设为0.02；
微分输出：U_Ud＝Uo.Kd*(U_Up-U_Up1),Uo.Kd为电压调节时的微分系数，Uo.Kd设为0.0，U_Up1为上一次的U_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝U_Up+U_Ui+U_Ud；
计算输出功率：若U_min≤Outpresat≤U_max时U_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜U_min时U_OUT＝U_min；若Outpresat＞U_max时U_OUT＝U_max；
计算饱和差：SatErr＝U_OUT-Outpresat；
U_OUT值赋值给I_ref,I_ref作为电流参考值，开始电流调节控制；
(3)电流调节控制：
误差计算：Err＝I_ref-I_tf，I_tf为反馈回来的瞬时电流；
比例输出：I_Up＝Io.Kp*Err,Io.Kp为电流调节时的比例系数；如Io.Kp设为0.08；
积分输出：I_Ui＝I_Ui+Io.Ki*I_Up+Io.Kc*SatErr,Io.Ki为电流调节时的积分系数，Io.Kc为电流调节时的积分系数校正；如Io.Ki设为0.08,Io.Kc设为0.02；
微分输出：I_Ud＝Io.Kd*(I_Up-I_Up1),Io.Kd为电流调节时的微分系数，Io.Kd设为0.0，I_Up1为上一次的I_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝I_Up+I_Ui+I_Ud；
计算输出功率：若I_min≤Outpresat≤I_max时I_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜I_min时I_OUT＝I_min；若Outpresat＞I_max时I_OUT＝I_max；
计算饱和差：SatErr＝I_OUT-Outpresat
以上输出的I_OUT值范围在2％～99％之间。
原理说明：设定一个参考功率,比如说3000W.而输出功率的范围设的是电压范围,比如200～400V。假如现在是1500W的功率在运行,由于与设定的3000W差距很大,输出的值会接近400V,假设是350V。此时350V即为电压的参考值,会与反馈的真实电压值进行比较，电压输出的范围设的是电流范围,比如说是0～10A.真实电压高于350V,会以偏向于0的值输出，真实电压低于350V时,会以偏向于10的值输出。输出的值又会作为电流的参考值与真实的电流值比较,输出范围是PWM波的占空比范围。整个过程,不需要去判断功率,电流,电压,只需要配置好功率,电流,电压的范围,即可自动输出合理的电流，大大的提高了代码的效率和准确性。
本发明采用套嵌式的PID算法，用功率控制电压，电压控制电流，电流控制PWM波的占空比，PWM波的占空比影响电流，电流又影响功率。通过这么一个闭环控制，能够将各个参数稳定的限制在合适的范围中。
本发明能够稳定的输出电流，电流误差在0.8％以内，应用范围更广，更方便，充电曲线更加平顺。
下面是PID算法的C语言代码。
比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：
比例，反应系统的当前偏差，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。
积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差。
微分，反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。
具体地，Kp是比例系数,Ki是积分系数,Kd是时间微分。PID的核心就是调节这三个变量。
Kp的作用是根据当前量与设定量的差值按照一定比例放大后得到的控制量。比如说Kp设为0.02,设定恒流的电流是30A,当前的电流是0，那么输出控制量为0.02*(30-0)＝0.6。下次循环时输出控制量为0.02*(30-当前电流),肯定小于第一次,电流越上升加的控制量越小。当接近30A时,可能会稳定在一个值比如说29A。
这时候比例积分就开始发挥作用.Ui＝Ui+Ki*(设置的电流-现在的电流)/F,F为频率,即F＝1/dt.电流恒定在29A时Ki(30-29)/F随着时间不断的积分增加,当控制量超过一定值时,电流就会开始上升。
Kd代表着的是速度,是对未来输出上升或是下降的一种预测。此时如果有干扰导致输出升高,微分量会预测上升的速度对输出控制量适当的缩小,从而达到稳定输出的目的。
下面是初始化的PID参数。
下面几个函数就是在pid_reg3_calc函数的基础上实现套嵌式PID算法.
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种充电机闭环控制方法，其特征在于：充电机的输出功率采用PID算法控制，输出功率的范围为电压范围，输出功率的PID调节结果作为下一步输出电压进行PID算法控制中的电压的参考值；
输出电压采用PID算法控制，输出电压的范围为电流范围，输出电压的PID调节结果作为下一步输出电流进行PID算法控制中的电流的参考值；
输出电流采用PID算法控制，输出电流的范围为PWM波的占空比范围，输出电流的PID调节结果作为PWM波的占空比。
2.根据权利要求1所述的一种充电机闭环控制方法，其特征在于：采用如下公式进行控制：
首先配置控制的参数：P_ref,P_max,P_min,U_max,U_min，I_max,I_min；
P_ref为参考功率，P_max为输出功率的范围最大值，P_min为输出功率的范围最小值，U_max为输出电压的范围最大值，U_min为输出电压的范围最小值，I_max为输出电流的范围最大值，I_min为输出电流的范围最小值；
(1)功率调节控制：
误差计算：Err＝P_ref-P_tf，P_tf为反馈回来的瞬时功率；
比例输出：P_Up＝Pw.Kp*Err,Pw.Kp为功率调节时的比例系数；
积分输出：P_Ui＝P_Ui+Pw.Ki*P_Up+Pw.Kc*SatErr,Pw.Ki为功率调节时的积分系数，Pw.Kc为功率调节时的积分系数校正；
微分输出：P_Ud＝Pw.Kd*(P_Up-P_Up1),Pw.Kd为功率调节时的微分系数，P_Up1为上一次的P_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝P_Up+P_Ui+P_Ud；
计算输出功率：若P_min≤Outpresat≤P_max时P_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜P_min时P_OUT＝P_min；若Outpresat＞P_max时P_OUT＝P_max；
计算饱和差：SatErr＝P_OUT-Outpresat；
P_OUT值赋值给U_ref,U_ref作为电压参考值，开始电压调节控制；
(2)电压调节控制：
误差计算：Err＝U_ref-U_tf，U_tf为反馈回来的瞬时电压；
比例输出：U_Up＝Uo.Kp*Err,Uo.Kp为电压调节时的比例系数；
积分输出：U_Ui＝U_Ui+Uo.Ki*U_Up+Uo.Kc*SatErr,Uo.Ki为电压调节时的积分系数，Uo.Kc为电压调节时的积分系数校正；
微分输出：U_Ud＝Uo.Kd*(U_Up-U_Up1),Uo.Kd为电压调节时的微分系数，U_Up1为上一次的U_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝U_Up+U_Ui+U_Ud；
计算输出功率：若U_min≤Outpresat≤U_max时U_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜U_min时U_OUT＝U_min；若Outpresat＞U_max时U_OUT＝U_max；
计算饱和差：SatErr＝U_OUT-Outpresat；
U_OUT值赋值给I_ref,I_ref作为电流参考值，开始电流调节控制；
(3)电流调节控制：
误差计算：Err＝I_ref-I_tf，I_tf为反馈回来的瞬时电流；
比例输出：I_Up＝Io.Kp*Err,Io.Kp为电流调节时的比例系数；
积分输出：I_Ui＝I_Ui+Io.Ki*I_Up+Io.Kc*SatErr,Io.Ki为电流调节时的积分系数，Io.Kc为电流调节时的积分系数校正；
微分输出：I_Ud＝Io.Kd*(I_Up-I_Up1),Io.Kd为电流调节时的微分系数，I_Up1为上一次的I_Up值；
计算预饱和输出：Outpresat＝I_Up+I_Ui+I_Ud；
计算输出功率：若I_min≤Outpresat≤I_max时I_OUT＝Outpresat；若Outpresat＜I_min时I_OUT＝I_min；若Outpresat＞I_max时I_OUT＝I_max；
计算饱和差：SatErr＝I_OUT-Outpresat。
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