CN111769738B - 一种直流斩波电路控制系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流斩波电路控制系统、方法及装置，包括：直流斩波电路及其对应的控制器；所述直流斩波电路对应的控制器，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管；本发明提供的技术方案，为了解决单周期控制没有良好抗负载扰动特性的问题，加入输出反馈环节，把输入输出反馈耦合进控制环节，使其不仅能抗输入扰动更能抗输出侧负载扰动，从而具有良好的控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变流领域，具体涉及一种直流斩波电路控制系统、方法及装置。
背景技术
新能源系统存在输出电压大范围的波动问题，问了解决这一问题对DC-DC变换器控制策略的输入干扰抑制能力提出了更为苛刻的要求，通常，DC-DC变换器的控制方法采用PID进行控制，但是由于变换器的非线性特征使得单纯的PID方法很难准确的实施控制。由此诸多非线性控制方法被人们提出并应用与DC-DC变换器的控制策略当中。比如单周期控制，模糊控制，滑膜变结构控制，专家控制以及神经网络控制等，在这些控制策略的基础上又衍生出诸多与PID相结合甚至多个非线性控制策略的结合。单周期控制利用开关变换器的非线性特征会让脉冲特征，较好的实现了电流平均值和脉冲电压得到即时控制，具有鲁棒性好、瞬态响应快、输入抑制能力强等特点。
但是单周期控制也存在缺陷，现有的单周期控制可以对开关变量的平均值即时控制具有良好的输入抗扰能力，但是因为没有输出反馈，无法做到对负载扰动的即时控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明加入输出反馈环节，把输入输出反馈耦合进控制环节，使其不仅能抗输入扰动更能抗输出侧负载扰动，从而具有良好的控制性能。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种直流斩波电路控制系统，其改进之处在于，所述系统包括：直流斩波电路及其对应的控制器；
所述直流斩波电路对应的控制器，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管。
优选的，所述直流斩波电路包括：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路或Zeta电路。
进一步的，所述Buck电路包括：可充放电直流电压源、功率开关管、续流二极管、电感、电容、电容等效电阻和负载；
所述可充放电直流电压源、续流二极管、串联的电容和电容等效电阻、负载依次并联；
所述可充放电直流电压源与续流二极管间连接有所述功率开关管；
所述续流二极管与串联的电容和电容等效电阻间连接有所述电感。
优选的，所述直流斩波电路对应的控制器包括：跨导放大器GM2、跨导放大器GM1、加法器SUM2、加法器SUM1、积分器INT、乘法器MUX1、乘法器MUX2、驱动器DR、SR触发器、比较器CMP、脉冲发生器CLK和误差放大器EA；
所述跨导放大器GM2的输入为直流斩波电路的输入电压；
所述跨导放大器GM1的输入为加法器SUM1的输出信号；
所述加法器SUM2的输入为跨导放大器GM2的输出信号和跨导放大器GM1的输出信号；
所述加法器SUM1的输入为乘法器MUX1的输出信号和乘法器MUX2的输出信号；
所述积分器INT的输入为SR触发器
端的输出信号和加法器SUM2的输出信号；
所述乘法器MUX1的输入为直流斩波电路的电感电流；
所述乘法器MUX2的输入为直流斩波电路的输出电压；
所述驱动器DR的输入为SR触发器Q端的输出信号，所述驱动器DR的输出信号用于控制所述直流斩波电路中的功率开关管；
所述SR触发器S端的输入为比较器CMP的输出信号；
所述SR触发器R端的输入为脉冲发生器CLK的输出信号；
所述比较器CMP的输入为积分器INT的输出信号和误差放大器EA的输出信号；
所述误差放大器EA的输入为直流斩波电路的输出电压和基准电压。
一种直流斩波电路控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：
获取直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压；
根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管。
优选的，所述根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管，包括：
将直流斩波电路的电感电流经乘法器MUX1的输出信号V1；
将直流斩波电路的输出电压经乘法器MUX2的输出信号V2；
将信号V1和信号V2经加法器SUM1做和输出信号V；
将信号V经过跨导放大器GM1输出信号I1；
将直流斩波电路的输入电压经跨导放大器GM2输出信号I2；
将信号I1和信号I2经加法器SUM2做和输出信号I；
将信号I经过积分器INT对时间进行积分后输出信号Vint；
将直流斩波电路的输出电压和参考电压的差值经过误差放大器EA放大输出信号Ve；
将信号Vint与信号Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，利用比较器CMP的输出控制SR触发器复位；
其中，周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT对其输入信号积分，当积分器INT输出信号Vint与信号Ve相等时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，积分器INT复位到零。
一种直流斩波电路控制装置，其改进之处在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压；
控制单元，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管。
优选的，所述控制单元用于：
将直流斩波电路的电感电流经乘法器MUX1的输出信号V1；
将直流斩波电路的输出电压经乘法器MUX2的输出信号V2；
将信号V1和信号V2经加法器SUM1做和输出信号V；
将信号V经过跨导放大器GM1输出信号I1；
将直流斩波电路的输入电压经跨导放大器GM2输出信号I2；
将信号I1和信号I2经加法器SUM2做和输出信号I；
将信号I经过积分器INT对时间进行积分后输出信号Vint；
将直流斩波电路的输出电压和参考电压的差值经过误差放大器EA放大输出信号Ve；
将信号Vint与信号Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，利用比较器CMP的输出控制SR触发器复位；
其中，周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT对其输入信号积分，当积分器INT输出信号Vint与信号Ve相等时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，积分器INT复位到零。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明为了解决单周期控制没有良好抗负载扰动特性的问题，提供了一种直流斩波电路控制系统、方法及装置，该方案可以根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管，将输入电压、电感电流以及输出电压相组合作为积分器的输入，不仅可以跟踪输入同时可以跟踪输出，同时外环将输出与参考电压的误差放大与积分器输出作比较可以进一步的减小误差。
附图说明
图1是提供一种直流斩波电路控制系统控制原理图；
图2是提供一种直流斩波电路控制方法流程图；
图3是提供一种直流斩波电路控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的技术方案关键点在于新型的控制回路，外环是参考电压与输出电压的负反馈。关键在于内环与以往大为不同，将电流环与积分相结合，不仅把输出含括在内也把输入引入其中，经过积分用一个开关周期内的平均值实现对输入输出扰动的即时控制。
本发明提供的一种直流斩波电路控制系统包括：直流斩波电路及其对应的控制器；
所述直流斩波电路对应的控制器，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管。
其中，所述直流斩波电路包括：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路或Zeta电路。
进一步的，所述Buck电路包括：可充放电直流电压源、功率开关管、续流二极管、电感、电容、电容等效电阻和负载；
所述可充放电直流电压源、续流二极管、串联的电容和电容等效电阻、负载依次并联；
所述可充放电直流电压源与续流二极管间连接有所述功率开关管；
所述续流二极管与串联的电容和电容等效电阻间连接有所述电感。
基于本发明提供的技术方案，以Buck电路为例，所述直流斩波电路对应的控制器，如图1所示，包括：跨导放大器GM2、跨导放大器GM1、加法器SUM2、加法器SUM1、积分器INT、乘法器MUX1、乘法器MUX2、驱动器DR、SR触发器、比较器CMP、脉冲发生器CLK和误差放大器EA；
所述跨导放大器GM2的输入为直流斩波电路的输入电压；
所述跨导放大器GM1的输入为加法器SUM1的输出信号；
所述加法器SUM2的输入为跨导放大器GM2的输出信号和跨导放大器GM1的输出信号；
所述加法器SUM1的输入为乘法器MUX1的输出信号和乘法器MUX2的输出信号；
所述积分器INT的输入为SR触发器
端的输出信号和加法器SUM2的输出信号；
所述乘法器MUX1的输入为直流斩波电路的电感电流；
所述乘法器MUX2的输入为直流斩波电路的输出电压；
所述驱动器DR的输入为SR触发器Q端的输出信号，所述驱动器DR的输出信号用于控制所述直流斩波电路中的功率开关管；
所述SR触发器S端的输入为比较器CMP的输出信号；
所述SR触发器R端的输入为脉冲发生器CLK的输出信号；
所述比较器CMP的输入为积分器INT的输出信号和误差放大器EA的输出信号；
所述误差放大器EA的输入为直流斩波电路的输出电压和基准电压。
其中，①可充放电直流电压源DC；②功率开关管Q1；③续流二极管D1；④电感L1；⑤电容等效串联电阻Re；⑥电容C；⑦负载R1；⑧跨导放大器GM2；⑨加法器SUM2；⑩积分器INT；
乘法器MUX1；
乘法器MUX2；
加法器SUM1；
跨导放大器GM1；
驱动器DR；
SR触发器；
比较器CMP；
脉冲发生器CLK；
误差放大器EA；
基准电压Vref。
本发明还提供了一种直流斩波电路控制方法，如图2所示，所述方法包括：
101.获取直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压；
102.根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管。
具体的所述步骤102，包括：
将直流斩波电路的电感电流经乘法器MUX1的输出信号V1；
将直流斩波电路的输出电压经乘法器MUX2的输出信号V2；
将信号V1和信号V2经加法器SUM1做和输出信号V；
将信号V经过跨导放大器GM1输出信号I1；
将直流斩波电路的输入电压经跨导放大器GM2输出信号I2；
将信号I1和信号I2经加法器SUM2做和输出信号I；
将信号I经过积分器INT对时间进行积分后输出信号Vint；
将直流斩波电路的输出电压和参考电压的差值经过误差放大器EA放大输出信号Ve；
将信号Vint与信号Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，利用比较器CMP的输出控制SR触发器复位；
其中，周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT对其输入信号积分，当积分器INT输出信号Vint与信号Ve相等时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，积分器INT复位到零。
基于上述控制方法，在图1所示的场景中可以按下述步骤实现本发明的目的：
首先将电感电流IL经乘法器MUX1的输出V1和输出电压Vo经乘法器MUX2的输出V2加权后经加法器SUM1做和，加法器SUM1的输出V作为跨导放大器GM1的输入量,从而输出电流I1，再将输入电压Vin经跨导放大器GM2转变为电流I2，然后将I1、I2经加法器SUM2做和，其和I作为积分器INT的输入，积分器INT对时间进行积分后输出为Vint。输出电压Vo和参考电压Vref的差值经过误差放大器EA放大为Ve。将Vint与Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，比较器CMP的输出来控制SR触发器复位。每个周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT开始对其输入信号积分，当其输出Vint达到Ve时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，同时积分器INT复位到零。
本发明还提供一种直流斩波电路控制装置，如图3所示，所述装置包括：
获取单元，用于获取直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压；
控制单元，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管。
所述控制单元用于：
将直流斩波电路的电感电流经乘法器MUX1的输出信号V1；
将直流斩波电路的输出电压经乘法器MUX2的输出信号V2；
将信号V1和信号V2经加法器SUM1做和输出信号V；
将信号V经过跨导放大器GM1输出信号I1；
将直流斩波电路的输入电压经跨导放大器GM2输出信号I2；
将信号I1和信号I2经加法器SUM2做和输出信号I；
将信号I经过积分器INT对时间进行积分后输出信号Vint；
将直流斩波电路的输出电压和参考电压的差值经过误差放大器EA放大输出信号Ve；
将信号Vint与信号Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，利用比较器CMP的输出控制SR触发器复位；
其中，周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT对其输入信号积分，当积分器INT输出信号Vint与信号Ve相等时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，积分器INT复位到零。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种直流斩波电路控制系统，其特征在于，所述系统包括：直流斩波电路及其对应的控制器；
所述直流斩波电路对应的控制器，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管；
所述直流斩波电路对应的控制器包括：跨导放大器GM2、跨导放大器GM1、加法器SUM2、加法器SUM1、积分器INT、乘法器MUX1、乘法器MUX2、驱动器DR、SR触发器、比较器CMP、脉冲发生器CLK和误差放大器EA；
所述跨导放大器GM2的输入为直流斩波电路的输入电压；
所述跨导放大器GM1的输入为加法器SUM1的输出信号；
所述加法器SUM2的输入为跨导放大器GM2的输出信号和跨导放大器GM1的输出信号；
所述加法器SUM1的输入为乘法器MUX1的输出信号和乘法器MUX2的输出信号；
所述积分器INT的输入为SR触发器
端的输出信号和加法器SUM2的输出信号；
所述乘法器MUX1的输入为直流斩波电路的电感电流；
所述乘法器MUX2的输入为直流斩波电路的输出电压；
所述驱动器DR的输入为SR触发器Q端的输出信号，所述驱动器DR的输出信号用于控制所述直流斩波电路中的功率开关管；
所述SR触发器R端的输入为比较器CMP的输出信号；
所述SR触发器S端的输入为脉冲发生器CLK的输出信号；
所述比较器CMP的输入为积分器INT的输出信号和误差放大器EA的输出信号；
所述误差放大器EA的输入为直流斩波电路的输出电压和基准电压。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流斩波电路包括：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路或Zeta电路。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述Buck电路包括：可充放电直流电压源、功率开关管、续流二极管、电感、电容、电容等效电阻和负载；
所述可充放电直流电压源、续流二极管、串联的电容和电容等效电阻、负载依次并联；
所述可充放电直流电压源与续流二极管间连接有所述功率开关管；
所述续流二极管与串联的电容和电容等效电阻间连接有所述电感。
4.一种直流斩波电路控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压；
根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管；
所述根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管，包括：
将直流斩波电路的电感电流经乘法器MUX1的输出信号V1；
将直流斩波电路的输出电压经乘法器MUX2的输出信号V2；
将信号V1和信号V2经加法器SUM1做和输出信号V；
将信号V经过跨导放大器GM1输出信号I1；
将直流斩波电路的输入电压经跨导放大器GM2输出信号I2；
将信号I1和信号I2经加法器SUM2做和输出信号I；
将信号I经过积分器INT对时间进行积分后输出信号Vint；
将直流斩波电路的输出电压和参考电压的差值经过误差放大器EA放大输出信号Ve；
将信号Vint与信号Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，利用比较器CMP的输出控制SR触发器复位；
其中，周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT对其输入信号积分，当积分器INT输出信号Vint与信号Ve相等时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，积分器INT复位到零。
5.一种直流斩波电路控制装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压；
控制单元，用于根据直流斩波电路的输入电压、电感电流和输出电压控制直流斩波电路中的功率开关管；
所述控制单元用于：
将直流斩波电路的电感电流经乘法器MUX1的输出信号V1；
将直流斩波电路的输出电压经乘法器MUX2的输出信号V2；
将信号V1和信号V2经加法器SUM1做和输出信号V；
将信号V经过跨导放大器GM1输出信号I1；
将直流斩波电路的输入电压经跨导放大器GM2输出信号I2；
将信号I1和信号I2经加法器SUM2做和输出信号I；
将信号I经过积分器INT对时间进行积分后输出信号Vint；
将直流斩波电路的输出电压和参考电压的差值经过误差放大器EA放大输出信号Ve；
将信号Vint与信号Ve分别作为比较器CMP的同反相输入，利用比较器CMP的输出控制SR触发器复位；
其中，周期开始时CLK使SR触发器置位，驱动器DR使得功率开关管Q1导通，积分器INT对其输入信号积分，当积分器INT输出信号Vint与信号Ve相等时，比较器CMP的输出使SR触发器复位，驱动器DR使得功率开关管Q1关断，积分器INT复位到零。
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2019
- 2019-04-02 CN CN201910261135.6A patent/CN111769738B/zh active Active
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