CN109149936A - 一种适用dc/dc变换器的占空比预测控制系统及控制算法 - Google Patents

一种适用dc/dc变换器的占空比预测控制系统及控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统及控制算法，该系统包括：采样模块、A/D转换模块、占空比生成模块、控制算法模块、DPWM模块和DC‑DC变换器电路。采样模块从DC‑DC变换器电路中采样输出电压的模拟信号，A/D转换模块将输出电压的模拟信号转化为数字信号作为实测值，占空比生成模块利用该实测值产生功率管的实测占空比，控制算法模块根据该实测占空比产生下一个开关周期功率管的预测占空比，DPWM模块通过该预测占空比生成PWM信号控制DC‑DC变换器电路结构中功率管的通断。相比于线性预测控制算法，该控制算法能有效补偿数字控制DC/DC变换器的控制环路延时，提高了系统的动态性能。

Description

一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统及控制算法
技术领域
本发明属于数字控制延时补偿技术领域，具体涉及一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统，还涉及其控制算法。
背景技术
由于数字控制存在采样、计算和零阶保持器等延时问题，降低了DC/DC变换器控制环路的相角裕量和带宽，影响其稳定性与动态性，针对这一问题，在其控制中加入延时补偿环节是改善DC/DC变换器的稳定性与动态性的一种有效方案。
目前，有关DC/DC变换器延时补偿的研究已经取得一定的研究成果，主要集中在DC/DC变换器的预测控制方面，现阶段的预测控制方案基本上分为两种类型：基于模型预测控制法和无模型预测控制法。
基于模型预测控制法，主要包括史密斯预测控制，状态观测控制和死区控制等。其中，史密斯预测控制只需嵌入了基于延迟环节的并联补偿器则可消除延迟影响，但其有效性取决于模型参数与建模精度；状态观测控制和无差拍控制均是基于差分方程预测下一时刻的控制变量，实现在多个采样周期后消除误差。理论上，只要建立精确的模型，这些控制算法均可完全补偿时间延迟。一旦模型参数发生变化，延时补偿效果将会大大减小。
无模型预测控制法不需要模型参数，即可实现延时补偿，其延时补偿效果只依赖于预测控制算法。主要包括线性预测控制、基于数字滤波器控制等。
其中，线性预测控制利用线性外推原理预测下一时刻的控制变量，其控制算法简单，但延时补偿效果不足；基于数字滤波器控制其本质是提供一个有效的相角超前补偿器，从而减小延时的影响。这些控制算法不需要模型信息和重新设计控制参数，并且更容易实现，因此，这对实践工程更有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统，增强了数字控制延时补偿效果。
本发明的另一目的是提供上述适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法。
本发明所采用的技术方案是，一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统，包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器依次与采样模块、A/D转换模块、占空比生成模块、控制算法模块、DPWM模块连接，形成闭环系统。
本发明所采用的另一技术方案是，一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、第k采样周期开始，采样模块和A/D转换模块获取输出电压的实测值y(k)，将y(k)与给定电压Uref通过占空比生成模块中的比较器比较，得到第k采样周期的实测偏差e(k)，再将e(k)导入占空比生成模块中计算出功率管占空比的增量Δd(k)，并与第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)相加，得到第k采样周期的功率管实测占空比d(k)；
步骤2、将第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)和第k采样周期的功率管实测占空比d(k)利用线性外推，计算出第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第一次预测；
步骤3、将第k采样周期的占空比预测值d′(k)与第k采样周期的功率管实测占空比d(k)作差，计算出第k采样周期的占空比误差值Δd(k)，如式(2)所示：
Δd(k)＝d′(k)-d(k) (2)；
步骤4、将第k采样周期的占空比误差值Δd(k)补偿第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第二次预测；
步骤5、利用第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)与d″(k+1)，求其算数平均，做第三次预测；
步骤6、检测d″′(k+1)；
若0≤d″′(k+1)≤1，则输出d″′(k+1)；
若d″′(k+1)<0，则输出d″′(k+1)＝0；
若d″′(k+1)>1，则输出d″′(k+1)＝1；
步骤7、经步骤6后，通过DPWM模块在k+1采样周期的开始生成PWM信号，作用于DC-DC变换器电路的功率管，并输出第k+1采样周期的电压U(k+1)，重复步骤1至步骤6，直至|U(k+1)-Uref|≤0.02*Uref，则系统已达稳定状态，结束。
本发明的特点还在于，
步骤2中，做第一次预测，其计算公式如式(1)所示：
d′(k+1)＝2d(k)-d(k-1) (1)。
步骤4中，做第二次预测，其计算公式如式(3)所示：
d″(k+1)＝d′(k+1)-Δd(k) (3)。
步骤5中，做第三次预测，其计算公式如式(4)所示：
d″′(k+1)＝(d′(k+1)+m*d″(k+1))/(1+m) (4)。
步骤5中，m＝1.5。
本发明的有益效果是，适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法是根据占空比变化的多样性(线性、向上凹、向上凸、向下凹和向下凸等五种情况)，设计一种基于误差补偿与算术平均的占空比预测控制算法，与线性预测控制算法相比，减小了占空比预测误差，增强了数字控制延时补偿效果，改善了DC/DC变换器系统的稳定性和动态性。
附图说明
图1是本发明一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统的闭环结构框图；
图2是本发明一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法的流程图；
图3是本发明应用实例-Buck电路及其控制示意图；
图4是采用CDC法时输出电压和电流在负载跳变时(12A→17A→12A)的波形；
图5是采用CDP法时输出电压和电流在负载跳变时(12A→17A→12A)的波形；
图6是采用IFOF法时输出电压和电流在负载跳变时(12A→17A→12A)的波形；
图7是采用本发明控制算法(IDP法)时输出电压和电流在负载跳变时(12A→17A→12A)的波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种适用DC/DC变换器占空比预测控制系统，如图1所示，包括DC/DC变换器，DC/DC变换器依次与采样模块、A/D转换模块、占空比生成模块、控制算法模块、DPWM模块连接，形成闭环系统。
该预测控制系统的各模块功能和操作原理如下：
采样模块、A/D转换模块主要是由采样电路、A/D转换电路及驱动电路构成，由其对DC-DC变换器数字控制电路当前采样周期的输出电压进行采集并转换为数字信号，将实测的数字信号作为占空比生成模块的输入信号。采样和A/D转换中，不可避免产生延时，从而影响系统动态性能。
占空比生成模块的原理是将实测输出电压的数字信号与给定电压进行比较，得到当前采样周期的实测电压偏差，再将其导入占空比生成模块计算出功率管占空比的增量，并与前一个周期的占空比相加，得到当前采样周期的功率管实测占空比。
控制算法模块的原理是在第k个采样周期预测第k+1个采样周期的占空比信号d″′(k+1)。控制算法模块根据上述原理，利用前两个周期占空比与前一个周期占空比的预测误差，通过预测控制算法计算出下一个采样周期的占空比预测值。
一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、第k采样周期开始，采样模块和A/D转换模块获取输出电压的实测值y(k)，将y(k)与给定电压Uref通过占空比生成模块中的比较器比较，得到第k采样周期的实测偏差e(k)，再将e(k)导入占空比生成模块中计算出功率管占空比的增量Δd(k)，并与第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)相加，得到第k采样周期的功率管实测占空比d(k)；
步骤2、将第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)和第k采样周期的功率管实测占空比d(k)利用线性外推原理，计算出第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第一次预测，如式(1)所示：
d′(k+1)＝2d(k)-d(k-1) (1)；
步骤3、将第k采样周期的占空比预测值d′(k)与第k采样周期的功率管实测占空比d(k)作差，计算出第k采样周期的占空比误差值Δd(k)，如式(2)所示：
Δd(k)＝d′(k)-d(k) (2)；
步骤4、将第k采样周期的占空比误差值Δd(k)补偿第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第二次预测，如式(3)所示：
d″(k+1)＝d′(k+1)-Δd(k) (3)；
步骤5、利用第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)与d″(k+1)，求其算数平均，做第三次预测，如式(4)所示：
d″′(k+1)＝(d′(k+1)+m*d″(k+1))/(1+m) (4)；
其中，m的取值以占空比预测控制效果为准，m＝1.5；
步骤6、检测d″′(k+1)；
若0≤d″′(k+1)≤1，则输出d″′(k+1)；
若d″′(k+1)<0，则输出d″′(k+1)＝0；
若d″′(k+1)>1，则输出d″′(k+1)＝1；
步骤7、经步骤6后，通过DPWM模块在k+1采样周期的开始生成PWM信号，作用于DC-DC变换器电路的功率管，并输出第k+1采样周期的电压U(k+1)，重复步骤1至步骤6，直至|U(k+1)-Uref|≤0.02*Uref，则系统已达稳定状态，结束。
实施例
一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、第k采样周期开始，采样模块和A/D转换模块获取输出电压的实测值y(k)，将y(k)与给定电压Uref通过占空比生成模块中的比较器比较，得到第k采样周期的实测偏差e(k)，再将e(k)导入占空比生成模块中计算出功率管占空比的增量Δd(k)，并与第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)相加，得到第k采样周期的功率管实测占空比d(k)；
步骤2、将第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)和第k采样周期的功率管实测占空比d(k)利用线性外推，计算出第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第一次预测，如式(1)所示：
d′(k+1)＝2d(k)-d(k-1) (1)；
步骤3、将第k采样周期的占空比预测值d′(k)与第k采样周期的功率管实测占空比d(k)作差，计算出第k采样周期的占空比误差值Δd(k)，如式(2)所示：
Δd(k)＝d′(k)-d(k) (2)；
步骤4、将第k采样周期的占空比误差值Δd(k)补偿第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第二次预测，如式(3)所示：
d″(k+1)＝d′(k+1)-Δd(k) (3)；
步骤5、利用第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)与d″(k+1)，求其算数平均，做第三次预测，如式(4)所示：
d″′(k+1)＝(d′(k+1)+1.5×d″(k+1))/2.5
步骤6、检测d″′(k+1)；
若0≤d″′(k+1)≤1，则输出d″′(k+1)；
若d″′(k+1)<0，则输出d″′(k+1)＝0；
若d″′(k+1)>1，则输出d″′(k+1)＝1；
步骤7、经步骤6后，通过DPWM模块在k+1采样周期的开始生成PWM信号，作用于DC-DC变换器电路的功率管，并输出第k+1采样周期的电压U(k+1)，重复步骤1至步骤6，直至|U(k+1)-Uref|≤0.02*Uref，则系统已达稳定状态，结束。
图3为Buck电路及其控制示意图，是本发明的一个应用实例，以Buck电路作为占空比预测控制算法的作用对象，本发明的控制算法也可用于其它类型的DC/DC变换电路，此处以Buck电路为例。其参数如下：Vg＝12V，Vo＝6V，L＝30μH，C＝30μF，R＝0.5Ω，fs＝100kHz，采用PI控制器，比较CDC(传统数字控制算法)、CDP(传统占空比预测控制算法)和IFOF(改进一阶数字滤波器补偿算法-当前国际最新的控制算法)及IDP(本发明占空比预测控制算法)四种补偿算法时，PI控制器参数保持不变，均为Kp＝0.45，Ki＝500，其仿真结果(输出电压和电流波形)分别为如图4、图5、图6及图7所示。
图3中，Uref为给定电压，Pidp为改进占空比预测补偿，Delay为采样、A/D转换及零阶保持器等构成的延时。
结果及其分析：在同样的控制器参数下，在负载变化时，采用本发明占空比预测控制算法能有效减小电压过冲和调节时间。负载跳变时，如表1所示，输出电压过冲(1.6ms处)：IDP法比CDC法减小510mV，IDP法比CDP法减小140mV；IDP法比IFOF法减小80mV；调节时间(17A→12A)：IDP法比CDC法减小306μs，IDP法比CDP法减小77μs；IDP法比IFOF法减小47μs。仿真结果与理论分析基本一致，证明了本发明的占空比预测法的有效性与优越性。
表1实例中负载跳变时的仿真结果

Claims (6)

1.一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制系统，其特征在于，包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器依次与采样模块、A/D转换模块、占空比生成模块、控制算法模块、DPWM模块连接，形成闭环系统。
2.一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、第k采样周期开始，采样模块和A/D转换模块获取输出电压的实测值y(k)，将y(k)与给定电压Uref通过占空比生成模块中的比较器比较，得到第k采样周期的实测偏差e(k)，再将e(k)导入占空比生成模块中计算出功率管占空比的增量Δd(k)，并与第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)相加，得到第k采样周期的功率管实测占空比d(k)；
步骤2、将第k-1采样周期的功率管实测占空比d(k-1)和第k采样周期的功率管实测占空比d(k)利用线性外推，计算出第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第一次预测；
步骤3、将第k采样周期的占空比预测值d′(k)与第k采样周期的功率管实测占空比d(k)作差，计算出第k采样周期的占空比误差值Δd(k)，如式(2)所示：
Δd(k)＝d′(k)-d(k) (2)；
步骤4、将第k采样周期的占空比误差值Δd(k)补偿第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)，做第二次预测；
步骤5、利用第k+1采样周期的占空比预测值d′(k+1)与d″(k+1)，求其算数平均，做第三次预测；
步骤6、检测d″′(k+1)；
若0≤d″′(k+1)≤1，则输出d″′(k+1)；
若d″′(k+1)<0，则输出d″′(k+1)＝0；
若d″′(k+1)>1，则输出d″′(k+1)＝1；
步骤7、经步骤6后，通过DPWM模块在k+1采样周期的开始生成PWM信号，作用于DC-DC变换器电路的功率管，并输出第k+1采样周期的电压U(k+1)，重复步骤1至步骤6，直至|U(k+1)-Uref|≤0.02*Uref，则系统已达稳定状态，结束。
3.根据权利要求2所述的一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，其特征在于，所述步骤2中，做第一次预测，其计算公式如式(1)所示：
d′(k+1)＝2d(k)-d(k-1) (1)。
4.根据权利要求2所述的一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，其特征在于，所述步骤4中，做第二次预测，其计算公式如式(3)所示：
d″(k+1)＝d′(k+1)-Δd(k) (3)。
5.根据权利要求2所述的一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，其特征在于，所述步骤5中，做第三次预测，其计算公式如式(4)所示：
d″′(k+1)＝(d′(k+1)+m*d″(k+1))/(1+m) (4)。
6.根据权利要求2所述的一种适用DC/DC变换器的占空比预测控制算法，其特征在于，所述步骤5中，m＝1.5。
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