CN111130334B - 一种能有效提升pfc动态响应的控制算法 - Google Patents

一种能有效提升pfc动态响应的控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能有效提升PFC动态响应的控制算法，具体涉及数字电源领域，包括有桥PFC，所述有桥PFC的电压反馈端加入一个两倍工频的带阻滤波器H(s)，所述有桥PFC的电压环前馈控制器的输出端加入负载电流前馈控制分量Vload_ctrl，所述两倍工频的带阻滤波器H(s)用于拓展电压环的带宽，提升整个控制系统的动态响应，保持功率因素值不变，所述负载电流前馈控制分量Vload_ctrl用于负载出现扰动时，使系统在短时间内达到输入和输出功率平衡的新状态，该算法能够保持功率因数没有被削弱的情况下，还能有效提升动态响应，从而增强AC‑DC电源的可靠性和稳定性，具有一定的可靠性和实用性。

Description

一种能有效提升PFC动态响应的控制算法
技术领域
本发明涉及数字电源领域，具体来说，涉及一种能有效提升PFC动态响应的控制算法。
背景技术
现有的PFC技术无论是采用线性抑或是非线性控制算法，都存在着功率因数和动态响应相互制约的矛盾，即功率因数得到提升的同时、动态响应性能被削弱；动态响应得到了加强，功率因数却因此而下降。
一般AC-DC电源的控制方案是构建母线电压外环串联输入电流内环的双闭环控制形式，即电压环计算的输出作为电流环计算的参考值，电压环的作用主要是稳定PFC母线电压，但母线电压中掺杂的二次谐波分量会通过电压环的输出引入到电流内环中，从而导致输入电流会掺杂三次谐波分量，影响电源的功率因数值，传统的避免三次谐波的方法是尽力减小电压环的带宽，这样可以确保输入电流不会过多地混入三次谐波，从而有效提升功率因数值，但是该方法却是以牺牲电压环的动态响应为代价，电源在抗击外部扰动，特别是负载扰动时，极为不稳定。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明揭示了一种能有效提升PFC动态响应的控制算法，该算法通过在有桥PFC的基础上增加带阻滤波器和负载电流前馈分量，就能够保证功率因数在没有被削弱的情况下，还能有效提升动态响应。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种能有效提升PFC动态响应的控制算法，其改进之处在于：包括有桥PFC，所述有桥PFC的电压反馈端加入一个两倍工频的带阻滤波器H(s)，所述有桥PFC的电压环前馈控制器的输出端加入负载电流前馈控制分量Vload_ctrl，所述带阻滤波器H(s)用于拓展电压环的带宽，提升整个控制系统的动态响应，保持功率因素值不变，所述负载电流前馈控制分量Vload_ctrl用于负载出现扰动时加快动态响应，使系统输入、输出功率能在最短时间内达到新的动态平衡；
Vloop_ctrl、Iloop_ctrl分别为电压环和电流环的输出；
控制算法包括以下的步骤：
步骤一：所述带阻滤波器H(s)为100HZ中心频率的带阻滤波器，对输出电压采用中心频率为100HZ的带阻滤波器进行滤波计算，带宽设计为30～40HZ，其系统函数为：
Figure GDA0003471234890000021
其中B为带宽，按照B＝2*π*(f2-f1)计算，f1为下限截止频率，f2为上限截止频率，Ω0为中心角频率，取为314rad/s，并采用双线性变换，将系统函数从复频域转换为Z域，即令
Figure GDA0003471234890000022
fs为采样频率，最后根据Z变换的性质，可以推导出如下的差分方程：
Vfilter(n)＝A1*Vfilter(n-1)+A2*Vfilter(n-2)+B0*V(n)+B1*V(n-1)+B2*V(n-2)
V(n)为n时刻输出电压采样值，Vfilter(n)为n时刻滤波后的计算值；
步骤二：对电压环输出进行计算，采用PI控制算法，控制器的传递函数为：
Figure GDA0003471234890000031
离散化以后的差分方程为：
Vloop_ctrl(n)＝Vloop_ctrl(n-1)+Kpv*(ev(n)-ev(n-1))+Kivev(n)
步骤三：计算电流内环的参考值，计算公式如下：
Figure GDA0003471234890000032
Km为电流内环比例系数，Vin为输入电压瞬时采样值，V2 in_avg为输入电压有效值的平方，Iload为PFC输出电流采样值，Kload为引入的负载电流前馈系数，Kload*Iload为本算法中新引入的负载电流前馈控制分量Vload_ctrl；
步骤四：所述计算电流内环的输出，电流环路的控制器同样采用PI调节器，传递函数为：
Figure GDA0003471234890000033
离散化以后的差分方程为：
Iloop_ctrl(n)＝Iloop_ctrl(n-1)+Kpi*(ei(n)-ei(n-1))+Kiiei(n)
Iloop_ctrl为整个环路控制的输出结果，根据该结果整定开关管的驱动占空比，最终实现调节功率因数的效果。
本发明的有益效果是：在双闭环控制算法的基础上，引入了算法中的带阻滤波器的计算环节以及算法负载电流前馈控制分量的计算，使输出和输入功率重新达到新的平衡状态，该发明具有实用性大、普遍适应性强、利用率高等优点。
附图说明
图1是本发明的一种能有效提升PFC动态响应的控制算法的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
如图1所示，本发明揭示了一种能有效提升PFC动态响应的控制算法，包括有桥PFC，所述有桥PFC的电压反馈端加入一个两倍工频的带阻滤波器H(s)，所述有桥PFC的电压环前馈控制器的输出端加入负载电流前馈控制分量Vload_ctrl，所述带阻滤波器H(s)用于拓展电压环的带宽，提升整个控制系统的动态响应，保持功率因素值不变，所述负载电流前馈控制分量Vload_ctrl能使负载出现扰动时，确保系统在短时间内达到新的功率平衡；
Vloop_ctrl、Iloop_ctrl分别为电压环和电流环的输出。
该控制算法包括以下的步骤：
步骤一：所述带阻滤波器H(s)为100HZ中心频率的带阻滤波器，对输出电压采用中心频率为100HZ的带阻滤波器进行滤波计算，带宽设计为30～40HZ，其系统函数为：
Figure GDA0003471234890000051
其中B为带宽，按照B＝2*π*(f2-f1)计算，f1为下限截止频率，f2为上限截止频率，Ω0为中心角频率，取为314rad/s，并采用双线性变换，将系统函数从复频域转换为Z域，即令
Figure GDA0003471234890000052
fs为采样频率，最后根据Z变换的性质，可以推导出如下的差分方程
Vfilter(n)＝A1*Vfilter(n-1)+A2*Vfilter(n-2)+B0*V(n)+B1*V(n-1)+B2*V(n-2)
V(n)为n时刻输出电压采样值，Vfilter(n)为n时刻滤波后的计算值；
步骤二：对电压环输出进行计算，采用PI控制算法，控制器的传递函数为：
Figure GDA0003471234890000053
离散化以后的差分方程为：
Vloop_ctrl(n)＝Vloop_ctrl(n-1)+Kpv*(ev(n)-ev(n-1))+Kivev(n)
步骤三：计算电流内环的参考值，计算公式如下：
Figure GDA0003471234890000061
Km为电流内环比例系数，Vin为输入电压瞬时采样值，V2 in_avg为输入电压有效值的平方，Iload为PFC输出电流采样值，Kload为引入的负载电流前馈系数，Kload*Iload为本算法中新引入的负载电流前馈控制分量Vload_ctrl；
步骤四：所述计算电流内环的输出，电流环路的控制器同样采用PI调节器，传递函数为
Figure GDA0003471234890000062
离散化以后的差分方程为：
Iloop_ctrl(n)＝Iloop_ctrl(n-1)+Kpi*(ei(n)-ei(n-1))+Kiiei(n)
Iloop_ctrl为整个环路控制的输出结果，根据该结果整定开关管的驱动占空比，最终实现调节功率因数的效果。
本发明的一种能有效提升PFC动态响应的控制算法的原理是：一是在电压反馈端加入一个两倍工频的带阻滤波器H(s)，该滤波器只对两倍工频的纹波分量(100HZ纹波)及其附近频段的纹波分量有比较大的衰减作用，对于其他频率分量丝毫不会有衰减作用，母线电压中的二次谐波分量在进入电压环计算之前就被过滤掉，输入电流因而不会被引入三次谐波，这样就可以一举突破传统控制算法中电压环的带宽一般仅设计为10-20HZ的瓶颈，在新算法中，可以将电压环的带宽拓展到几百赫兹，这样就可以大幅提升整个控制系统的动态响应，而不会对功率因素值有削弱地副作用；二是在电压环前馈控制器的输出端加入负载电流前馈控制分量Vload_ctrl,该分量的引入可以大幅提升负载跳变时，系统的动态响应，即当负载瞬间加大时，该控制分量可以毫无滞后的加入到输入电流的参考值中，这样可以弥补由于电压环带宽的限制而带来的输入电流参考值递增的滞后，从而在短时间内可以控制输入电流增大，达到输入和输出功率平衡的新状态；负载瞬间减小时，该分量的计算值迅速减小，同样可以弥补由于电压环输出量缓慢的递减而带来的滞后，从而在很短的时间内促使输入电流参考值减小，进而依靠内环的跟踪调节，使得输入电流很快减小，输出和输入功率重新达到新的平衡状态。
本发明的有益效果是：在双闭环控制算法的基础上，引入了算法中的带阻滤波器的计算环节以及算法负载电流前馈控制分量的计算，使输出和输入功率在短时间内重新达到新的平衡状态，该发明具有实用性大、普遍适应性强、利用率高等优点。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种能有效提升PFC动态响应的控制算法，其特征在于：包括有桥PFC，所述有桥PFC的电压反馈端加入一个两倍工频的带阻滤波器H(s)，所述有桥PFC的电压环前馈控制器的输出端加入负载电流前馈控制分量Vload_ctrl，所述带阻滤波器H(s)用于拓展电压环的带宽，提升整个控制系统的动态响应，保持功率因素值不变，所述负载电流前馈控制分量Vload_ctrl用于负载出现扰动时加快动态响应，使系统输入、输出功率能在最短时间内达到新的动态平衡；
Vloop_ctrl，Iloop_ctrl分别为电压环和电流环的输出；
控制算法包括以下的步骤：
步骤一：所述带阻滤波器H(s)为100HZ中心频率的带阻滤波器，对输出电压采用中心频率为100HZ的带阻滤波器进行滤波计算，带宽设计为30～40HZ，其系统函数为：
Figure FDA0003559996950000011
其中B为带宽，按照B＝2*π*(f2-f1)计算，f1为下限截止频率，f2为上限截止频率，Ω0为中心角频率，取为314rad/s，并采用双线性变换，将系统函数从复频域转换为Z域，即令
Figure FDA0003559996950000012
fs为采样频率，最后根据Z变换的性质，可以推导出如下的差分方程：
Vfilter(n)＝A1*Vfilter(n-1)+A2*Vfilter(n-2)+B0*V(n)+B1*V(n-1)+B2*V(n-2)
V(n)为n时刻输出电压采样值，Vfilter(n)为n时刻滤波后的计算值；
步骤二：对电压环输出进行计算，采用PI控制算法，控制器的传递函数为：
Figure FDA0003559996950000021
离散化以后的差分方程为：
Vloop_ctrl(n)＝Vloop_ctrl(n-1)+Kpv*(ev(n)-ev(n-1))+Kivev(n)
步骤三：计算电流内环的参考值，计算公式如下：
Figure FDA0003559996950000022
Km为电流内环比例系数，Vin为输入电压瞬时采样值，V2 in_avg为输入电压有效值的平方，Iload为PFC输出电流采样值，Kload为引入的负载电流前馈系数，Kload*Iload为本算法中新引入的负载电流前馈控制分量Vload_ctrl；
步骤四：所述计算电流内环的输出，电流环路的控制器同样采用PI调节器，传递函数为：
Figure FDA0003559996950000023
离散化以后的差分方程为：
Iloop_ctrl(n)＝Iloop_ctrl(n-1)+Kpi*(ei(n)-ei(n-1))+Kiiei(n)
Iloop_ctrl为整个环路控制的输出结果，根据该结果整定开关管的驱动占空比，最终实现调节功率因数的效果。
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