CN110880870B - 一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法 - Google Patents

一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，在新型双全桥拓扑研究的基础上采用模块化设计构架，能够有效降低器件应力前提下提高输出效率、减少输出端纹波，采用分数阶控制，分数阶PID是常规整数阶PID控制器的推广，既保留了常规PID控制器的结构简单、鲁棒性强的特点，又增加了两个可调参数，使得系统的控制性能可以进一步提高。

Description

一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法
技术领域
本发明涉及大功率开关电源技术领域，具体地涉及一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法。
背景技术
目前国际上已经普遍认识到，以离子电推进和霍尔电推进为代表的电推进系统不仅是性能杰出的空间推进系统，更是具有战略意义的未来航天关键技术。美国、欧洲和日本己经成功进行了电推进深空探测飞行试验，验证了电推进技术在轨长期应用的能力。电推进正在逐步成为长寿命通信卫星的标准配置和深空探测航天器的必备技术，下一代卫星必将采用电推进系统以保持技术竞争力和性能优势。
电推进的技术效益主要体现在两个方面，一是以所谓无阻尼自由飞行卫星为代表的地球轨道范围使命，微小推力、高精度推力调节和控制能力需求只有类似FEEP电推进系统才能胜任，否则使命无法实现；二是所谓的远距离星际使命，在现有条件下，如果全使命应用化学推进就根本不可能把航天器发送到目标位置，而应用高比冲电推进就可以完成这类使命。核电推进、双模式太阳能推进等能够为未来更远距离(太阳系外)的空间使命提供技术支撑，这些使命用化学推进是不可能实现的。所以电推进技术在我国航天器上的应用是未来发展的必然趋势，刻不容缓。
电推进系统由推力器、电源处理单元(PPU)、推进剂储供系统(XFS)和数字控制单元(DCIU)四部分组成，其中PPU具备功率变换、接受指令执行各路输出的开关、各路电源输出电压及电流的遥测和故障保护功能是电推进系统稳定、可靠工作的基础。PPU是电推进系统的重要组成部分，它是一个复杂的电源变换设备，在离子推力器PPU中，屏栅电源占PPU功率的80％以上，因此屏栅电源是高效率、高功率密度PPU设计的重点。
综合来看，美国NEXT屏栅电源虽然相比于德国Generic HVPS在所运用的拓扑及控制方法上稍显传统，但优势也显而易见：NEXT屏栅电源在拓扑复杂度低、体积重量小、功率密度大的基础上保证了宽范围输出电压调节，适用于深空探测这类需要宽范围电压输出的应用环境，通过对比可以看出，欧美国家的屏栅电源研究工作较为成熟，在功率密度、输出电压范围调节等工作指标上也具有一定优势。国外先于国内十年开始超大功率(5-10kW)离子推力器电源处理单元的研究，而我国现有PPU功率在5kW以内，因此，为满足深空探测等更多任务的需求，研究大功率、高效率、输出电压宽范围调节的离子推力器PPU屏栅电源意义重大。就发展趋势而言，离子推力器功率正在从NSTAR的3kW级向NEXT的8kW、NEXIS的20kW和HiPEP的50kW扩展，在离子推力器高功率、长寿命、高可靠、高比冲的发展趋势下，对PPU工作指标也有了更高要求，同时作为PPU的核心部件，屏栅电源也必须在功率密度、效率等指标上有所提高。我国已具备亚千瓦级霍尔和千瓦级离子推进技术基础，但仍在电源功率密度、输出功率、效率、高压元器件性能和可靠性等方面与国外领先水平有一定差距。为满足空间技术发展需求，我国必须大力发展屏栅电源技术，提高PPU效率，推动大功率电推进系统技术进步。
目前结合现有屏栅电源及其控制策略研究，主要存在以下问题：
(1)采用单全桥拓扑，其开关管的导通和关断为硬开关控制，在大功率应用场合影响电源处理单元效率，增加散热难度。
(2)采用谐振DC/DC变换器虽可在全负载范围内实现零电压(ZVS)软开关，然而电感、电容等元件的引入会增加电源质量，且控制实现更加复杂。
(3)对电源的控制方面用模拟芯片实现难度较大
(4)采用神经网络PID、滞环电压控制、单闭环PID控制等控制方法，这些方法各具特点但难以兼具稳态输出好、动态响应快、鲁棒性好
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提出一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，包括如下步骤：
步骤a:为屏栅电源建立双全桥拓扑结构；
步骤b:对步骤a建立的拓扑结构进行小信号建模，得到屏栅电源拓扑结构的小信号模型；
步骤c:对步骤b得到的屏栅电源拓扑结构的小信号模型进行分数阶控制。
进一步的，双全桥拓扑结构具体包括：第一单相逆变桥A和第二单相逆变桥B并联组成屏栅电源的输入电路，高频变压器T1、T2和整流滤波电路组成屏栅电源的输出电路。
进一步的，根据逆变桥开关管的关闭和导通状态，屏栅电源的输出电路包括并联输出电路和串联输出电路。
进一步的，所述步骤b中对步骤a建立的拓扑结构进行小信号建模包括：
首先确定静态工作点处的状态方程，在状态方程中叠加小信号扰动，然后分离扰动得到线性化方程，最后利用拉氏变换法求得传递函数；
在轻载模式下，即屏栅电源的输入电路和输出电路均为为并联电路状态下，占空比对输出电压的传递函数为：
Figure BDA0002302836060000041
占空比对输出电流传递函数为：
Figure BDA0002302836060000042
在重载模式下，即屏栅电源的输入电路为并联电路，屏栅电源的输出电路为串联电路，占空比对输出电压传递函数为：
Figure BDA0002302836060000043
占空比对输出电流传递函数为：
Figure BDA0002302836060000044
进一步的，步骤c具体包括：
针对输入信号f(t)，G-L分数阶微积分定义如下：
Figure BDA0002302836060000051
其中t，a为算子的积分上、下界，α为微积分的阶次，h为步长，[(t-a)/h]为取整运算，代表在时间[a,t]内的采样点的个数，即求和次数；
Figure BDA0002302836060000052
是二项式系数，用Gamma函数替换为：
Figure BDA0002302836060000053
采用分数阶PIλDμ控制器：
Figure BDA0002302836060000054
其中kp，ki和kd分别为比例、积分、微分增益，λ和μ为积分项和微分项的分数阶因子；
对最优阶的分数阶PIλDμ控制器参数整定得到相应的控制器，然后通过仿真对控制效果进行分析。
(三)有益效果
本发明基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，在原有移相全桥拓扑的基础上提出新型双全桥拓扑，利用双全桥中的功率变压器副边串并联运行实现输出电压宽范围调节，采用基于分数阶控制的闭环控制方式，实现了宽范围输入电压条件下宽范围稳定输出电压。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明具体实施方式所述的屏栅电源的双全桥拓扑结构图；
图2为本发明具体实施方式所述的轻载模式下的主电路图；
图3为本发明具体实施方式所述的重载模式下的主电路图；
图4为本发明具体实施方式所述的分数阶PIλDμ控制器的单位反馈控制系统；
图5为本发明具体实施方式所述的屏栅电源硬件结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，包括如下步骤：
步骤a:为屏栅电源建立双全桥拓扑结构；
步骤b:对步骤a建立的拓扑结构进行小信号建模，得到屏栅电源拓扑结构的小信号模型；
步骤c:对步骤b得到的屏栅电源拓扑结构的小信号模型进行分数阶控制。
双全桥拓扑结构具体包括：第一单相逆变桥A和第二单相逆变桥B并联组成屏栅电源的输入电路，第一高频变压器T1、第二高频变压器T2、整流滤波电路组成屏栅电源的输出电路。
根据逆变桥开关管的关闭和导通状态，屏栅电源的输出电路包括并联输出电路和串联输出电路。
工作模式分析：
屏栅电源采用高压大功率新型双全桥拓扑能够有效提高功率密度，能实现大功率小型化目标。移相/脉宽控制的方式能够满足屏栅电源多工况、多模式下运行，双控制模式的切换点由输出电压决定，通过采样电阻电压与给定值比较，当输出电压达到设定值时，系统切换至另一模式运行。图1为新型双全桥拓扑简化图，由两个单相逆变桥A、B并联输入、高频变压器T1及T2、输出整流滤波电路部分组成。
采用输入并联，输出串联或并联的拓扑结构，能够有效减小MOSFET的电流应力，而且能够解决传统移相全桥转换器的宽范围输出电压问题。根据屏栅电源在高压大功率以及控制灵活性方面的技术需求，采用一种结合两种控制方式的双模式控制策略,当第一变压器一次侧及第二变压器一次侧采用移相控制方式，三桥臂整流桥将第一变压器的二次侧以及第二变压器的二次侧串联；
当第一变压器一次侧及第二变压器一次侧采用PWM控制方式，三桥臂整流桥将第一变压器的二次侧以及第二变压器的二次侧并联。。
图2为工作模式1轻载模式下主电路示意图：
此时为输入并联输出并联，此状态主要由占空比控制，开关管A1，A4与B2，B3具有相同的控制信号；A2，A3与B1，B4具有相同的控制信号；并联模式工作时二极管D1.2的导通电流是二极管D0.1或二极管D2.1的两倍，最终输出电压等于单全桥输出电压。轻载模式主要应用于卫星位置保持及姿态控制。
图3为工作模式2重载模式下主电路示意图：
此时为输入并联输出串联，此状态主要由移相控制，A类和B类的全桥模块输入相同的控制信号，其中开关管A1，A4和B1，B4的控制信号相同；开关管A2，A3，B2，B3的控制信号相同；开关管A1和A3的控制信号彼此互补。输出串联模式下，输出电压是单全桥输出电压的2倍。重载模式主要用于卫星轨道转移。
分数阶控制方法：
屏栅电源工作在两个模式，即输入并联输出串联(移相控制重载模式)与输入并联输出并联(占空比控制轻载模式)两种工作模式，使得电源系统具有灵活的宽范围电压输出。
屏栅电源是一个非线性系统，以状态空间平均法建立小信号模型，即首先求出静态工作点处的状态方程，在状态方程中叠加小信号扰动，然后分离扰动得到线性化方程，最后采用拉氏变换法求得传递函数。
最终得到在轻载模式下占空比对输出电压的传递函数为：
Figure BDA0002302836060000081
占空比对输出电流传递函数为：
Figure BDA0002302836060000082
在重载模式下占空比对输出电压传递函数为：
Figure BDA0002302836060000091
占空比对输出电流传递函数为：
Figure BDA0002302836060000092
电流内环采用PID控制器，电压外环采用分数阶PID控制器控制：
根据建立的小信号模型，可确定电流内环控制器；在分数阶微积分理论发展的过程中，Grümwald-Letnikov是最广泛应用的定义之一。针对输入信号f(t)，G-L分数阶微积分定义如下：
Figure BDA0002302836060000093
其中t，a为算子的积分上、下界，α为微积分的阶次，h为步长，[(t-a)/h]为取整运算，代表在时间[a,t]内的采样点的个数，即求和次数。
Figure BDA0002302836060000094
是二项式系数，可以用Gamma函数替换，为：
Figure BDA0002302836060000095
采用分数阶PIλDμ控制器：
Figure BDA0002302836060000096
其中kp，ki和kd分别为比例、积分、微分增益，λ和μ为积分项和微分项的分数阶因子。若被控对象为Gp(s)，分数阶PIλDμ控制器的单位反馈控制系统如图4所示，r(t)为设定输入；y(t)为系统输出；e(t)＝r(t)-y(t)为跟踪误差，u(t)为控制输入。
分数阶PIλDμ控制器的五个参数中的Kp，Ki，Kd，与整数阶PID控制器中的三个参数相一致，它们在两种控制器的作用也大致相同；而分数阶PIλDμ控制器中的另外两个参数，积分阶次λ和微分阶次μ，它们的大小分别决定了控制器的积分环节和微分环节的强弱。λ主要影响系统的稳态精度，μ主要影响系统的超调。当分数阶PIλDμ控制器的参数在小范围内变化时，它的控制效果基本不变，反映出分数阶PIλDμ控制器具有较强的鲁棒性。采用遗传算法工具箱中的gaopt()函数进行最优阶的分数阶PIλDμ控制器参数整定，得到相应的控制器，然后通过仿真对控制效果进行分析。
通常功率变换器稳压输出大多以PID算法为主，然而随着高精度、强鲁棒性的电能质量要求愈加提高，传统PID算法越发吃力，分数阶控制策略使控制更加灵活，因此需要研究鲁棒性更强的分数阶控制器在屏栅电源领域的实际应用效果。本发明的目的在于克服现有控制技术存在的缺陷，提供一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，实现屏栅电源在不同工况下稳定运行，有效地解决了由负载变化及输入电压波动对输出电压影响的问题，最终实现输出电压稳态小、可快速跟踪参考信号、具有强鲁棒性等目标。
主电路针对2kW开关电源的设计，能够实现两种工作模式，即移相控制方式和占空比控制方式。以及能够实现软开关的工作要求，主控芯片选用TMS320F28335.各项指标如下：
①输入电压：80-160V
②输出电压：275-1800V
③输出电流：1.3A
④开关频率：50kHz
⑤占空比：D＝0.46
⑥效率：≥95％
⑦功率密度：≥1.5kW/kg
⑧输出纹波：≤1％
根据以上功能及指标，可得屏栅电源整体硬件框图如图1所示：
图5所示为屏栅电源硬件结构框图。整个控制系统可以分为三个部分：中央处理单元、模拟信号检测与调理单元、驱动单元。中央处理单元由DSP以及构成数字控制系统所必需的晶振、复位及存储器扩展等外围电路组成；模拟信号检测与调理单元完成对主电路中电压、电流信号的检测和信号的后期调理功能；驱动单元负责对DSP输出的PWM信号进行隔离、放大产生驱动MOS管的驱动信号。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a:为屏栅电源建立双全桥拓扑结构；
步骤b:对步骤a建立的拓扑结构进行小信号建模，得到屏栅电源拓扑结构的小信号模型；
步骤c:对步骤b得到的屏栅电源拓扑结构的小信号模型进行分数阶控制；
所述步骤b中对步骤a建立的拓扑结构进行小信号建模包括：
首先确定静态工作点处的状态方程，在状态方程中叠加小信号扰动，然后分离扰动得到线性化方程，最后利用拉氏变换法求得传递函数；
在轻载模式下，即屏栅电源的输入电路和输出电路均为为并联电路状态下，占空比对输出电压的传递函数为：
Figure FDA0002765125410000011
其中，Vin表示屏栅电源输入电压，n表示屏栅电源变压器变比，R表示负载阻值，L表示屏栅电源输出滤波电感，C表示屏栅电源输出滤波电容；
占空比对输出电流传递函数为：
Figure FDA0002765125410000012
在重载模式下，即屏栅电源的输入电路为并联电路，屏栅电源的输出电路为串联电路，占空比对输出电压传递函数为：
Figure FDA0002765125410000021
占空比对输出电流传递函数为：
Figure FDA0002765125410000022
2.根据权利要求1所述的基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，其特征在于，双全桥拓扑结构具体包括：第一单相逆变桥A和第二单相逆变桥B并联组成屏栅电源的输入电路，高频变压器T1、T2和整流滤波电路组成屏栅电源的输出电路。
3.根据权利要求2所述的基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，其特征在于，根据逆变桥开关管的关闭和导通状态，屏栅电源的输出电路包括并联输出电路和串联输出电路。
4.根据权利要求1所述的基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，其特征在于，步骤c具体包括电流内环采用PID控制器，电压外环采用分数阶PIλDμ控制器控制：
根据步骤b建立的小信号模型，确定电流内环控制器；针对输入信号f(t)，G-L分数阶微积分定义如下：
Figure FDA0002765125410000023
其中t，a为算子的积分上、下界，α为微积分的阶次，h为步长，[(t-a)/h]为取整运算，代表在时间[a,t]内的采样点的个数，即求和次数；
Figure FDA0002765125410000024
是二项式系数，用Gamma函数替换为：
Figure FDA0002765125410000031
采用分数阶PIλDμ控制器：
Figure FDA0002765125410000032
其中kp，ki和kd分别为比例、积分、微分增益，λ和μ为积分项和微分项的分数阶因子，0＜λ＜2，0＜μ＜2；
对最优阶的分数阶PIλDμ控制器参数整定得到相应的控制器，然后通过仿真对控制效果进行分析。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，其特征在于，建立双全桥拓扑结构后的屏栅电源包括：
直流电源输入电路、主电路、中央处理单元、模拟信号检测与调理单元和驱动单元；模拟信号检测与调理单元的输出端连接中央处理单元的输入端，中央处理单元的输出端连接驱动单元，驱动单元的输出端连接主电路的输入端，主电路的输出端连接负载和模拟信号检测与调理单元的输入端，直流电源输入电路分别连接中央处理单元的输入端和主电路的输入端。
6.根据权利要求5所述的基于分数阶控制的屏栅电源控制方法，其特征在于，中央处理单元包括DSP以及外围电路；模拟信号检测与调理单元对主电路中电压和电流信号进行检测和调理；驱动单元对DSP输出的PWM信号进行隔离和放大产生驱动MOS管的驱动信号。
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