CN111669053A - 双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法 - Google Patents

双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法，控制方法包括如下步骤：建立双向数字开关功率放大器的预测模型；引入反馈校正项，闭环预测；通过价值函数求取最优的调制占空比；根据得出的调制占空比，经脉宽调制模块分别产生四路PWM驱动信号来控制四个开关管，实现电流预测控制。本发明有效提高了系统控制精度，稳态误差小，在线计算量小，算法简便，易数字化实现，具有良好的实用价值和应用前景。

Description

双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法
技术领域
本发明涉及电压-电流型数字开关功率放大器控制领域，具体涉及一种基于磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法。
背景技术
磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器所使用的控制器应用最广泛的为PI控制器，PI控制器需要反复整定Kp、Ki参数以适应当前的控制要求，整定过程困难且参数适应范围小，动态调节时间较长，系统的鲁棒性较差，大功率应用场合下，参数整定调试存在一定危险性。
模型预测控制是一种有限时域最优控制方式，对系统未来有限时间域内的状态进行预测并确定系统当前时刻的控制输出，但传统的模型预测控制，需要调节繁琐的权重系数、权重系数的调节依靠经验，且在线运算量大、在开关功率放大器这种开关频率较高的场合难以应用。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种适用于磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法，其目的为解决上述控制技术中存在动态调节时间较长、系统鲁棒性较差、在线运算量大的问题、且不需要整定复杂的参数、不需要调节繁琐的权重系数。
技术方案：
一种双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，包括如下步骤：
步骤1，建立双向数字开关功率放大器的预测模型，在第k个采样时刻，预测未来两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值；
步骤2，引入反馈校正项，闭环预测，得到校正后第k+1、k+2时刻的电流预测值；
步骤3，根据第k个采样时刻双向数字开关功率放大器的电流参考值以及引入反馈校正项后的第k+1、k+2个采样时刻的电流预测值，通过价值函数求取最优的调制占空比；
步骤4，根据步骤3得出的调制占空比，经脉宽调制模块分别产生四路PWM驱动信号来控制四个开关管，实现电流预测控制。
步骤1所述的预测模型为：
Figure BDA0002501317200000011
其中，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Uo(k)为k时刻双向数字开关功率放大器的输出电压(V)。
步骤1所述的两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值为：
Figure BDA0002501317200000021
Figure BDA0002501317200000022
其中，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A),i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Udc为直流母线电压(V)，D(k)为k时刻开关管的占空比。
步骤2所述的引入反馈校正项，得到校正后第k+1、k+2时刻的电流预测值为：
Figure BDA0002501317200000023
Figure BDA0002501317200000024
其中λ1、λ2为校正系数，i(k|k-1)为k-1时刻预测k时刻的电流值(A)，i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A),TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Udc为直流母线电压(V)，D(k)为k时刻开关管的占空比。
步骤3所述的价值函数为：
J＝(i*(k)-i(k+2|k))2 (6)
其中i*(k)为k时刻的电流参考值(A)，i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A)。
得到步骤3所述的最优调制占空比具体过程为：
首先，将k+2时刻的电流预测值代入价值函数中，得到：
Figure BDA0002501317200000025
其次，求价值函数J对D的导数：
Figure BDA0002501317200000026
最后，令J对D的导数等于零，求出占空比D即为最优占空比：
Figure BDA0002501317200000027
其中占空比D的取值范围为：0≤D≤1。
一种双向数字开关功率放大器，该放大器由电流预测控制器，PWM调制器，移相电路，光电隔离电路，驱动电路，功率转换电路，电流霍尔传感器和负载组成；电流预测控制器的输入端连接电流给定信号和电流霍尔传感器反馈的负载中的电流反馈信号，电流预测控制器的输出端连接PWM调制器的输入端，PWM调制器的输出端连接移相电路的输入端，移相电路的输出端连接光电隔离信号的输入端，光电隔离信号的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的四路输出端分别连接第一开关管S1栅极端、第二开关管S2栅极端、第三开关管S3栅极端、第四开关管S4栅极端，第一开关管S1漏极端同时连接第三开关管S3漏极端和+Udc母线电压，第一开关管S1源极端同时连接第二开关管S2漏极端和电流霍尔传感器的一端，电流霍尔传感器的另一端与负载的一端串联，第三开关管S3源极端同时连接第四开关管S4漏极端和负载的另一端，第二开关管S2源极端同时连接第四开关管S4源极端和接地，电流霍尔传感器的输出端连接电流预测控制器的输入端。
功率转换电路由开关管S1，S2，S3，S4组成，均为功率MOS管或IGBT，开关管S1、S2的驱动信号互补，开关管S3、S4的驱动信号互补，开关管S1、S4的驱动信号相位差180度，开关管S2、S3的驱动信号相位差180度。
双向数字开关功率放大器驱动的负载皆为感性负载。
有益效果：
1、本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，相对于传统PI控制，有效改善系统动态响应速度，减小动态调节时间。
2、本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，采用两步电流预测控制，有效补偿由于采样转换、算法计算、占空比更新所导致的单周期延时。
3、本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，采用闭环电流预测，有效提高系统控制精度。
4、本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，在线计算量小，算法简便，易于数字化实现。
5、本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，不需要整定复杂的参数、不需要调节繁琐的权重系数。
附图说明
图1是双向数字开关功率放大器的原理图；
图2是本发明磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制框图；
图3是双向数字开关功率放大器功率转换电路中四个开关管的驱动波形图；
图4是采用PI控制功放输出1A电流的阶跃仿真波形图；
图5是采用本发明控制方法功放输出1A电流的阶跃仿真波形图；
图6是采用PI控制功放输出2A电流的阶跃仿真波形图；
图7是采用本发明控制方法功放输出2A电流的阶跃仿真波形图；
图8是采用PI控制功放输出5A电流的阶跃仿真波形图；
图9是采用本发明控制方法功放输出5A电流的阶跃仿真波形图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明具体实施例进行详细地描述：
本发明提供一种基于磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，包括如下步骤：
步骤1，建立双向数字开关功率放大器的预测模型，在第k个采样时刻，预测未来两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值；
步骤2，引入反馈校正项，闭环预测，得到校正后第k+1、k+2时刻的电流预测值；
步骤3，根据第k个采样时刻双向数字开关功率放大器的电流参考值以及引入反馈校正项后的第k+1、k+2个采样时刻的电流预测值，通过价值函数求取最优的调制占空比；
步骤4，根据步骤3得出的调制占空比，经脉宽调制模块分别产生四路PWM驱动信号来控制四个开关管，实现电流预测控制。
如图1所示，一种双向数字开关功率放大器，由电流预测控制器，PWM调制器，移相电路，光电隔离电路，驱动电路，功率转换电路，电流霍尔传感器和负载组成。电流预测控制器的输入端连接电流给定信号和电流霍尔传感器反馈的负载中的电流反馈信号，电流预测控制器的输出端连接PWM调制器的输入端，PWM调制器的输出端连接移相电路的输入端，移相电路的输出端连接光电隔离信号的输入端，光电隔离信号的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的四路输出端分别连接第一开关管S1栅极端、第二开关管S2栅极端、第三开关管S3栅极端、第四开关管S4栅极端，第一开关管S1漏极端同时连接第三开关管S3漏极端和+Udc母线电压，第一开关管S1源极端同时连接第二开关管S2漏极端和电流霍尔传感器的一端，电流霍尔传感器的另一端与负载的一端串联，第三开关管S3源极端同时连接第四开关管S4漏极端和负载的另一端，第二开关管S2源极端同时连接第四开关管S4源极端和接地，电流霍尔传感器的输出端连接电流预测控制器的输入端。负载为电感线圈，其电感为L、电阻为R，电流预测控制器根据电路给定信号和电流霍尔传感器反馈的负载中的电流反馈信号计算出最优占空比，然后输出控制信号经移相电路、光电隔离电路、驱动电路，控制四个开关管的导通时间及导通顺序，实现电流预测控制。
如图2所示为本发明磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制框图，本发明磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，建立双向数字开关功率放大器的预测模型，在第k个采样时刻，预测未来两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值；由基尔霍夫电压定律可得到图2中功率转换电路的电压关系，经离散化后得到双向数字开关功率放大器的预测模型：
Figure BDA0002501317200000051
其中，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Uo(k)为k时刻双向数字开关功率放大器的输出电压(V)。
根据预测模型，在当前第k个采样时刻，预测未来两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值；
Figure BDA0002501317200000052
Figure BDA0002501317200000053
其中，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A),i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Udc为直流母线电压(V)，D(k)为k时刻开关管的占空比。
步骤2，引入反馈校正项，实现闭环预测，对电流预测值进行实时修正，减小预测输出误差，补偿模型失配、随机干扰等因素的影响，增强系统的鲁棒性，提高控制效果，引入的反馈校正项通过k时刻的电流预测值与实际输出电流采样值做差所得：
λ[i(k)-i(k|k-1)]
其中λ为校正系数，i(k|k-1)为k-1时刻预测k时刻的电流值(A)，i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)。
引入反馈校正项后，得到校正后第k+1、k+2时刻的电流预测值为：
Figure BDA0002501317200000054
Figure BDA0002501317200000055
其中λ1、λ2为校正系数，i(k|k-1)为k-1时刻预测k时刻的电流值(A)，i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)。
控制的目标是为使电流参考值与实际输出电流值之间的误差最小，实际输出电流值能够稳定跟踪电流参考值，当采样周期小时，可以令k+2时刻的电流参考值值近似等于k时刻的电流参考值，当k+2时刻电流预测值等于k+2时刻实际输出电流值时，说明电流预测效果准确，故价值函数选取k时刻的电流参考值与k+2时刻的电流预测值差的平方，得到：
J＝(i*(k)-i(k+2|k))2 (6)
其中i*(k)为k时刻的电流参考值(A)，i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A)。
步骤3，根据当前时刻双向数字开关功率放大器的电流给定值以及引入反馈校正项后的电流预测值，通过价值函数求取最优的调制占空比，求取过程具体为：
首先，将k+2时刻的电流预测值代入价值函数中，得到：
Figure BDA0002501317200000061
其次，求价值函数J对D的导数：
Figure BDA0002501317200000062
最后，令价值函数J对D的导数等于零，求出占空比D，由于i(k+1|k)是关于D(k)的一次函数，D(k)是关于J的一次函数，令J对D的导数等于零必有唯一解，所求的D即为价值函数的最小值点，即为最优占空比：：
Figure BDA0002501317200000063
其中占空比D的取值范围为：0≤D≤1。
步骤4，根据最优的调制占空比，经脉宽调制模块分别产生四路PWM驱动信号来控制四个开关管的导通时间及导通顺序，实现电流预测控制。
如图3所示为双向数字开关功率放大器功率转换电路中四个开关管的驱动波形图，步骤4中求得的最优占空比作为开关管S1的占空比用来驱动开关管S1，开关管S2的驱动信号与开关管S1的驱动信号互补，开关管S3和开关管S4的驱动信号由开关管S2和开关管S1的驱动信号移相180度得到。
磁悬浮驱动平台用的双向数字开关功率放大器驱动的负载皆为感性负载，开关频率固定。
为了验证本发明控制方法的有益效果，在Matlab/simulink中分别搭建采用本发明控制方法和采用传统PI控制方法的开关功率放大器仿真模型，仿真参数为：母线电压70V,开关管开关频率20KHz，线圈电感9mH,线圈内阻1.65Ω，在2ms时输入1A、2A、5A的阶跃信号，图4为PI控制下功放输出1A电流的阶跃响应波形，动态调节时间大约为1.2ms，稳定时输出电流为0.98A，稳态误差为2％；图5为本发明控制方法下功放输出1A电流的阶跃响应波形，动态调节时间大约为0.6ms，稳定时输出电流为0.997A，稳态误差为0.3％；图6为PI控制下功放输出2A电流的阶跃响应波形，动态调节时间大约为1.5ms，稳定时输出电流为1.958A，稳态误差为2.1％；图7为本发明控制方法下功放输出2A电流的阶跃响应波形，动态调节时间大约为0.8ms，稳定时输出电流为1.994A，稳态误差为0.3％；图8为PI控制下功放输出5A电流的阶跃响应波形，动态调节时间大约为2.1ms，稳定时输出电流为4.89A，稳态误差为2.2％；图9为本发明控制方法下功放输出5A电流的阶跃响应波形，动态调节时间大约为1.6ms，稳定时输出电流为4.984A，稳态误差为0.32％；可以看出在相同条件下输出相同的电流等级，本发明控制方法比传统PI控制的动态调节时间短，稳态精度高。
本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，该控制方法相比于现有技术中开关功放所采用的PI控制，能够有效减小系统动态调节时间，提高功放电流响应速度，不需要整定复杂的参数，避免了大功率应用场合下，PI控制器参数整定调试存在的危险性。
本发明用于磁悬浮驱动平台的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，采用闭环电流预测，有效提高了系统控制精度，稳态误差小，采用两步电流预测控制，有效补偿由于采样转换、算法计算、占空比更新所导致的单周期延时，在线计算量小，算法简便，易数字化实现，具有良好的实用价值和应用前景。

Claims (9)

1.一种双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立双向数字开关功率放大器的预测模型，在第k个采样时刻，预测未来两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值；
步骤2，引入反馈校正项，闭环预测，得到校正后第k+1、k+2时刻的电流预测值；
步骤3，根据第k个采样时刻双向数字开关功率放大器的电流参考值以及引入反馈校正项后的第k+1、k+2个采样时刻的电流预测值，通过价值函数求取最优的调制占空比；
步骤4，根据步骤3得出的调制占空比，经脉宽调制模块分别产生四路PWM驱动信号来控制四个开关管，实现电流预测控制。
2.根据权利要求1所述双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，其特征在于，步骤1所述的预测模型为：
Figure FDA0002501317190000011
其中，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Uo(k)为k时刻双向数字开关功率放大器的输出电压(V)。
3.根据权利要求1所述的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，其特征在于，步骤1所述的两个采样时刻(k+1、k+2)的电流预测值为：
Figure FDA0002501317190000012
Figure FDA0002501317190000013
其中，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A),i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Udc为直流母线电压(V)，D(k)为k时刻开关管的占空比。
4.根据权利要求1所述的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，其特征在于，步骤2所述的引入反馈校正项，得到校正后第k+1、k+2时刻的电流预测值为：
Figure FDA0002501317190000014
Figure FDA0002501317190000015
其中λ1、λ2为校正系数，i(k|k-1)为k-1时刻预测k时刻的电流值(A)，i(k)为k时刻的输出电流采样值(A)，i(k+1|k)为k时刻预测k+1时刻的电流值(A),i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A),TS为采样周期(s)，L为负载的电感(H)，R为负载的电阻(Ω)，Udc为直流母线电压(V)，D(k)为k时刻开关管的占空比。
5.根据权利要求1所述的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，其特征在于，步骤3所述的价值函数为：
J＝(i*(k)-i(k+2|k))2 (6)
其中i*(k)为k时刻的电流参考值(A)，i(k+2|k)为k时刻预测k+2时刻的电流值(A)。
6.根据权利要求1所述的双向数字开关功率放大器多步电流预测控制方法，其特征在于，得到步骤3所述的最优调制占空比具体过程为：
首先，将k+2时刻的电流预测值代入价值函数中，得到：
Figure FDA0002501317190000021
其次，求价值函数J对D的导数：
Figure FDA0002501317190000022
最后，令J对D的导数等于零，求出占空比D即为最优占空比：
Figure FDA0002501317190000023
其中占空比D的取值范围为：0≤D≤1。
7.一种如权利要求1所述的双向数字开关功率放大器，其特征在于：该放大器由电流预测控制器，PWM调制器，移相电路，光电隔离电路，驱动电路，功率转换电路，电流霍尔传感器和负载组成；电流预测控制器的输入端连接电流给定信号和电流霍尔传感器反馈的负载中的电流反馈信号，电流预测控制器的输出端连接PWM调制器的输入端，PWM调制器的输出端连接移相电路的输入端，移相电路的输出端连接光电隔离信号的输入端，光电隔离信号的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的四路输出端分别连接第一开关管S1栅极端、第二开关管S2栅极端、第三开关管S3栅极端、第四开关管S4栅极端，第一开关管S1漏极端同时连接第三开关管S3漏极端和+Udc母线电压，第一开关管S1源极端同时连接第二开关管S2漏极端和电流霍尔传感器的一端，电流霍尔传感器的另一端与负载的一端串联，第三开关管S3源极端同时连接第四开关管S4漏极端和负载的另一端，第二开关管S2源极端同时连接第四开关管S4源极端和接地，电流霍尔传感器的输出端连接电流预测控制器的输入端。
8.根据权利要求7所述的双向数字开关功率放大器，其特征在于：所述的功率转换电路由开关管S1，S2，S3，S4组成，均为功率MOS管或IGBT，开关管S1、S2的驱动信号互补，开关管S3、S4的驱动信号互补，开关管S1、S4的驱动信号相位差180度，开关管S2、S3的驱动信号相位差180度。
9.根据权利要求8所述的双向数字开关功率放大器，其特征在于：双向数字开关功率放大器驱动的负载皆为感性负载。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054656A (zh) * 2020-09-25 2020-12-08 安徽理工大学 一种固定开关频率的模型预测控制算法
CN113267997A (zh) * 2020-10-22 2021-08-17 华北电力大学 基于多步反馈控制律的非线性随机模型预测控制简化方法
WO2021233350A1 (zh) * 2020-05-21 2021-11-25 沈阳工业大学 双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208744A (zh) * 2016-08-31 2016-12-07 西南交通大学 一种基于两步预测电流控制器的动车组整流器的控制方法
CN109217363A (zh) * 2018-08-28 2019-01-15 南京理工大学 一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109981056B (zh) * 2019-03-28 2023-06-27 广东志成冠军集团有限公司 一种基于npc逆变器的数字功率放大器的输出控制方法
CN110176867B (zh) * 2019-06-19 2020-08-14 广东志成冠军集团有限公司 级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法
CN111669053B (zh) * 2020-05-21 2023-09-19 沈阳工业大学 双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208744A (zh) * 2016-08-31 2016-12-07 西南交通大学 一种基于两步预测电流控制器的动车组整流器的控制方法
CN109217363A (zh) * 2018-08-28 2019-01-15 南京理工大学 一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RUSONG WU等: "A PWM AC-to-DC Converter with Fixed Switching Frequency" *
常肖等: "磁悬浮轴承数字功率放大器" *
马宏伟等: "电流环模型预测控制在PWM整流器中的应用" *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021233350A1 (zh) * 2020-05-21 2021-11-25 沈阳工业大学 双向数字开关功率放大器及其多步电流预测控制方法
CN112054656A (zh) * 2020-09-25 2020-12-08 安徽理工大学 一种固定开关频率的模型预测控制算法
CN113267997A (zh) * 2020-10-22 2021-08-17 华北电力大学 基于多步反馈控制律的非线性随机模型预测控制简化方法
CN113267997B (zh) * 2020-10-22 2022-10-28 华北电力大学 基于多步反馈控制律的非线性随机模型预测控制简化方法

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