CN107769580B - 一种基于滑模控制的改进推挽变换器 - Google Patents

一种基于滑模控制的改进推挽变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于滑模控制的改进推挽变换器，在原有推挽电路的基础上进行了改进，将直流输入电压直接引至变压器的副边中点，用于将变压器副边电压抬高，因此产品输出电压为输入电压和功率变换电路变换电压的串联，功率变换电路仅提供输入、输出电压的差值部分，这种拓扑可以显著提高产品的效率。此外，系统采用基于滑模控制算法的电压、电流双环实现控制，根据所期望的动态特性设计系统的滑模面，通过设计滑模控制律使得被控系统沿着滑模面收敛，保证了系统良好的鲁棒性、稳定性和良好的动态品质。

Description

一种基于滑模控制的改进推挽变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别地涉及一种航空用的基于滑模控制的改进推挽变换器，主要适用于低输入输出电压范围的变换装置中。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，航空电力系统逐渐进入了多电化、全电化的时代。多电系统作为多电飞机的核心技术，与传统系统相比，其次级功率系统采取电能的方式进行控制和分配。二次电源作为连接发电系统及负载之间的纽带，是多电系统及多电飞机的基础，其性能的好坏直接影响到整个机载发电系统工作的可靠性。综合考虑机载发电系统的工作环境及工作状况，现阶段二次电源装置的研究热点主要集中在高可靠、高效率、大功率、小体积、动态响应速度等方面。
推挽电路因具有驱动简单、通态损耗较小、输出功率大等优点，广泛应用于大功率低输入电压的航空电力装置中。目前推挽电路主要采用传统PID控制方法进行控制，但传统的PID控制方法在改善系统稳定性时，参数的整定比较复杂，往往依赖于一定的工程经验，且不能改善现有的PWM电压和PWM电流控制模式下推挽电路的动态响应问题，导致目前推挽电路在系统鲁棒性、稳定性和动态品质方面存在不足。
发明内容
本发明的目的在于克服以上不足，提出一种基于滑模控制的改进推挽变换器，主要适用于低输入输出电压范围的变换装置中，该系统具有高可靠性、高效率、大功率、小体积以及良好的动态品质等优点。
本发明在原有推挽电路的基础上进行了改进，将直流输入电压直接引至变压器的副边中点，用于将变压器副边电压抬高，因此产品输出电压为输入电压和功率变换电路变换电压的串联，功率变换电路仅提供输入、输出电压的差值部分，这种拓扑可以显著提高产品的效率。此外，系统采用基于滑模控制算法的电压、电流双环实现控制，根据所期望的动态特性设计系统的滑模面，通过设计滑模控制律使得被控系统沿着滑模面收敛，保证了系统良好的鲁棒性、稳定性和良好的动态品质。
基于上述原理，本发明的技术方案为：
所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：包括雷电防护及输入滤波电路、内部电源、控制电路、驱动电路、主功率变换电路及原边开关管、输出滤波电路、电流检测单元、输出信号反馈采样电路；
外部直流输入电源与雷电防护及输入滤波电路以及内部电源相连，内部电源向控制电路和驱动电路供电；所述雷电防护及输入滤波电路的输出端连接到主功率变换电路及原边开关管，所述主功率变换电路及原边开关管输出端连接到输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端分别连接到电流检测单元、输出信号反馈采样电路，所述输出信号反馈采样单元连接到控制电路，所述控制电路自带存储器以及通信接口，并且所述控制电路的输出端与驱动电路相连，驱动电路连接主功率变换电路及原边开关管。
进一步的优选方案，所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述主功率变换电路中，直流输入电压直接引至变压器的原边中点和副边中点。
进一步的优选方案，所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：电流检测单元和输出信号反馈采样电路逐周期进行电流、电压检测，并将采样信号实时反馈到控制电路，在控制电路内部采用滑模控制算法得到驱动所需的PWM驱动波形输出给驱动电路。
进一步的优选方案，所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：采用滑模控制算法过程为：
步骤1：输入采集的电压信号Uo和电流信号Io；
步骤2：给定的直流电压基准值Uref与采集到的实际输出电压Uo的偏差经调解系数K1调解后得到滑模面切换函数S1＝K1(Uo-Uref)；给定的直流电流值Iref与采集到的实际输出电流Io的偏差经调解系数K2调解后得到滑模面切换函数S2＝K2(Io-Iref)；
步骤3：切换函数S1与切换函数S2相加之和共同构成滑模面切换函数S＝S1+S2；
步骤4：将计算所得的滑模面切换函数S的值带入到控制律u＝0.5(1+sgnS)中进行高低电平信号的判断，判断完成后控制电路输出电平信号，得到驱动所需的PWM驱动波形；其中sgn为符号函数。
进一步的优选方案，所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述控制电路由DSP芯片实现数字化控制功能与管理功能。
进一步的优选方案，所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述控制电路的通信接口为UART通信接口。
进一步的优选方案，所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述控制电路的存储器为EEPROM存储器芯片。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1)主功率变换电路对推挽电路进行了改进，通过将直流输入直接引至变压器的副边中点，用于将变压器副边电压抬高，使得系统输出电压由输入电压与功率变换电路变换所得电压的串联，因此功率变换电路仅提供输入、输出电压的差值部分，这种拓扑可以显著提高系统的工作效率，同时在开关频率恒定的条件下降低了输出电压纹波。
2)在本发明中，推挽电路采用数字化电压、电流双环控制，采用逐周期电流、电压检测实现输出电压的恒定。数字控制方式设计简单，控制灵活。
3)采用滑模控制算法，通过将采样信号在控制器内部与基准值作差后输入到滑模控制算法计算得到稳定的占空比，保证了变换器在参数不确定的情况下，仍具有良好的鲁棒性、稳定性和良好的动态品质。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1一种基于滑模控制的新型推挽变换器原理框图；
图2一种基于滑模控制的新型推挽变换器的电路原理图；
图3变换器数字控制功能框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中的一种基于滑模控制的新型推挽变换器包括雷电防护及输入滤波电路、内部电源、控制电路、驱动电路、主功率变换电路及原边开关管、输出滤波电路、电流检测单元、输出信号反馈采样电路。
外部直流输入电源与雷电防护及输入滤波电路以及内部电源相连，内部电源向控制电路和驱动电路供电；所述雷电防护及输入滤波电路的输出端连接到主功率变换电路及原边开关管，所述主功率变换电路及原边开关管输出端连接到输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端分别连接到电流检测单元、输出信号反馈采样电路，所述输出信号反馈采样单元连接到控制电路，所述控制电路自带存储器以及通信接口，并且所述控制电路的输出端与驱动电路相连，驱动电路连接主功率变换电路及原边开关管。
其中，主功率拓扑包括直流输入电源、主功率变换电路及原边开关管、输出滤波电路，是系统工作的核心单元，主要完成电能的变换及传递；控制电路的功能示意图如图3所示，控制电路通过将输出电压、电流的采样信号进行检测以实现数字双环控制，结合滑模控制算法调节系统的占空比，并完成保护控制、控制电路内部的参数配置以及系统通信功能；驱动电路用于将开关管的占空比信号进行功率放大；输出信号反馈采样电路的作用是将采集到的输出电压信号及输出电流信号分别进行分时采样，送入控制电路进行调节控制；内部电源用于为控制电路、驱动电路内部模块供电；系统的通信接口采用标准的RS232通信协议实现。
图2中包括直流输入电源、直流输出电源、功率开关管、变压器、整流二极管、RCD吸收电路、输出滤波电感、输出滤波电容、电流传感器、控制电路以及开关管PWM驱动电路。所述变换器通过逐周期地对输出电压信号、输出电流信号进行采集，并实时反馈到控制电路的内部，控制得到稳定的占空比信号，再通过驱动电路进行功率放大得到开关管的驱动信号。
如图3所示，推挽电路输入电压经直流支撑电容及输入滤波电感处理后加载在主功率电路的输入端，该专利中采用电压、电流双闭环控制，电流传感器装配在输出滤波电感之后，采集的电流纹波小，利于控制算法的稳定运算。
其中主功率变换电路采用新的推挽电路实现，主要适用于低输入输出电压范围(例如航空电源中28V转30V输出)的变换装置中，在推挽拓扑的基础上进行了改进，直流输入电压直接引至变压器的副边中点，将变压器副边电压抬高了一个输入电压，该拓扑下的输出电压为输入电压和功率变换电路变换电压的串联，因此功率变换电路仅提供输入、输出电压的差值部分，使用该拓扑可以显著提高系统的工作效率；此外，当系统开关频率和占空比一定时，可降低输出电压纹波值，即在同一输出纹波电压要求下，可适当降低输出滤波电感、滤波电容的取值，从而减小变换器的体积。
控制电路由DSP芯片实现数字化控制功能与管理功能，由于数字芯片DSP对采集的模拟信号有幅值的要求，为保证DSP芯片的安全可靠使用和运行，因此在进行ADC转换前要对所采集的模拟电压、电流信号进行限幅、调理处理。为保证所采集的电压、电流信号稳定、纯净、毛刺少，进一步加入软件滤波算法，进行滤波处理，为下一步误差计算及过压过流信号处理提供精准的数值参考。
而核心控制算法采用滑模变结构理论进行控制。核心控制算法的作用是做出逻辑判断对控制信号进行关闭处理，并在关闭期间检测到异常消失时对控制信号重新启动，做到控制灵活智能化。
滑模变结构理论适合于DC-DC变换器在开关量u的控制下，两个子拓扑工作模态的相互切换，在实际理论分析与计算中可以不做任何简化和近似处理。较工程中常用的PID算法动态响应性能好，鲁棒性强。滑模算法实际应用中主要包括两方面：1)控制率；2)滑模面的选取。本专利中采用电压、电流双闭环控制，因此滑模面切换函数可以选为：S＝k1(x1-x1ref)+k2(x2-x2ref)。
内环为电流控制，外环为电压控制。该种切换函数控制能够从变换器电路中获得更多的反馈信息，得到比单变量滑模变结构控制更好的动态品质。控制律为：u＝0.5(1+sgnS)，其中sgn为符号函数。
算法的具体实施过程如下：
步骤1：输入采集的电压信号Uo和电流信号Io；
步骤2：给定的直流电压基准值Uref与采集到的实际输出电压Uo的偏差经调解系数K1调解后得到滑模面切换函数S1＝K1(Uo-Uref)；给定的直流电流值Iref与采集到的实际输出电流Io的偏差经调解系数K2调解后得到滑模面切换函数S2＝K2(Io-Iref)；
步骤3：切换函数S1与切换函数S2相加之和共同构成滑模面切换函数S＝S1+S2；
步骤4：将计算所得的滑模面切换函数S的值带入到控制律u＝0.5(1+sgnS)中进行高低电平信号的判断，判断完成后控制电路DSP GPIO口输出电平信号，得到驱动所需的PWM驱动波形。
从拓扑自身的结构特点可知为了避免变压器一次绕组短路，应该使两个开关管的占空比不超过50％，并留有一定的死区时间。为了降低开关损耗和开关噪声，加入开关软启动。经控制算法处理后输出的两路PWM脉宽波经两路光耦隔离后送入驱动芯片进一步处理后对开关管进行驱动。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：包括雷电防护及输入滤波电路、内部电源、控制电路、驱动电路、主功率变换电路及原边开关管、输出滤波电路、电流检测单元、输出信号反馈采样电路；
外部直流输入电源与雷电防护及输入滤波电路以及内部电源相连，内部电源向控制电路和驱动电路供电；所述雷电防护及输入滤波电路的输出端连接到主功率变换电路及原边开关管，所述主功率变换电路及原边开关管输出端连接到输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端分别连接到电流检测单元、输出信号反馈采样电路，所述输出信号反馈采样电路连接到控制电路，所述控制电路自带存储器以及通信接口，并且所述控制电路的输出端与驱动电路相连，驱动电路连接主功率变换电路及原边开关管；
所述主功率变换电路中，直流输入电压直接引至变压器的原边中点和副边中点，且直流输入电压还直接引至电流检测单元的输入端。
2.根据权利要求1所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：电流检测单元和输出信号反馈采样电路逐周期进行电流、电压检测，并将采样信号实时反馈到控制电路，在控制电路内部采用滑模控制算法得到驱动所需的PWM驱动波形输出给驱动电路。
3.根据权利要求2所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：采用滑模控制算法过程为：
步骤1：输入采集的电压信号和电流信号；
步骤2：给定的直流电压基准值与采集到的实际输出电压的偏差经调解系数 调解后得到滑模面切换函数；给定的直流电流值与采集到的实际输 出电流的偏差经调解系数调解后得到滑模面切换函数；
步骤3：切换函数与切换函数相加之和共同构成滑模面切换函数；
步骤4：将计算所得的滑模面切换函数S的值带入到控制律中进行高 低电平信号的判断，判断完成后控制电路输出电平信号，得到驱动所需的PWM驱动波形；其 中sgn为符号函数。
4.根据权利要求1所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述控制电路由DSP芯片实现数字化控制功能与管理功能。
5.根据权利要求1所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述控制电路的通信接口为UART 通信接口。
6.根据权利要求1所述一种基于滑模控制的改进推挽变换器，其特征在于：所述控制电路的存储器为EEPROM 存储器芯片。
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