CN112181034A - 一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法 Download PDF

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刘三山
黄宇丽
李力学
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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output

Abstract

本发明涉及环路切换技术领域，特别涉及一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法，包括外部环路、比较器和内部环路，外部环路包括电压环和电流环，内部环路包括电感电流环，比较器的输入端分别与电压环的输出端和电流环的输出端电连接，比较器的输出端与电感电流环的输入端电连接，电感电流环的输出端与外设的执行机构电连接，通过设置电压环、电流环和比较器，比较器对电压环的输出电压值和电流环的输出电流值作判断，这样能够通过提取外环的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中的较小值，将较小值输入到电感电流环中作为未生效环路的积分上下限限幅值，这样能够有效解决环路切换时，未生效的环路进入生效阶段的失控现象。

Description

一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及环路切换技术领域，特别涉及一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法。
背景技术
在数字电源领域，给电池充电应用场景中，恒压、恒流、恒功率等多模式充电时，在模式切换的过程中，会出现部分控制量超调，失控的状态，比如DC-DC变换器正在恒压模式运行给电池充电，当电池端接的负载变化时，将电池电压拉低，这个时候恒压模式的控制环路失效，需要立即切换为恒流模式充电，而在数字电源领域，一般情况下采用的都是PID调节方式对环路进行调制，PID调节器由于有积分环节的存在，会导致调节具有较大的惯性，这就造成了恒压模式控制失效，同时，恒流模式退积分，还没有完全受控的情况，这一短暂的工况，会出现输出电流超过预设值的情况，在较恶劣的情况下，会对功率器件的应力造成很大的影响，甚至损坏功率器件；特别是在当前新能源汽车、电动自行车等高端充电应用场合，任何工况下，电池充电电流的超调量都要控制在1％以内，这就对控制器的性能提出了非常苛刻的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法，用以解决环路切换时，未生效的环路进入生效阶段的失控现象。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种恒压恒流环路控制系统，包括外部环路、比较器和内部环路，所述外部环路包括电压环和电流环，所述内部环路包括电感电流环，所述比较器的输入端分别与电压环的输出端和电流环的输出端电连接，所述比较器的输出端与电感电流环的输入端电连接，所述电感电流环的输出端与外设的执行机构电连接，所述外设的执行机构为未生效的环路。
本发明采用的第二种技术方案为：
一种恒压恒流环路控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取外部环路的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值；
S2、将所述电压环的输出电压值与电流环的输出电流值作比较，将电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中较小值作为内部环路的电感电流环的输入参考值；
S3、根据所述输入参考值，计算得到脉冲调节信号；
S4、将所述脉冲调节信号作为外设的执行机构的驱动信号。
本发明的有益效果在于：
在常规的环路控制中，环路切换时，会出现较大的超调量，本方案通过设置电压环、电流环和比较器，比较器对电压环的输出电压值和电流环的输出电流值作判断，这样能够通过提取外环的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中的较小值，将较小值输入到电感电流环中作为未生效环路的积分上下限限幅值，这样能够有效解决环路切换时，未生效的环路进入生效阶段的失控现象。
附图说明
图1为根据本发明的一种恒压恒流环路控制系统的环路连接框图；
图2为根据本发明的一种恒压恒流环路控制系统的控制方法的步骤流程图；
标号说明：
1、电压环；11、第一加法器；12、第一PID调节器；13、第一积分器；
2、电流环；21、第二加法器；22、第二PID调节器；23、第二积分器；
3、比较器；
4、电感电流环；41、第三加法器；42、第三PID调节器。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，本发明提供的一种技术方案：
一种恒压恒流环路控制系统，包括外部环路、比较器和内部环路，所述外部环路包括电压环和电流环，所述内部环路包括电感电流环，所述比较器的输入端分别与电压环的输出端和电流环的输出端电连接，所述比较器的输出端与电感电流环的输入端电连接，所述电感电流环的输出端与外设的执行机构电连接，所述外设的执行机构为未生效的环路。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：
在常规的环路控制中，环路切换时，会出现较大的超调量，本方案通过设置电压环、电流环和比较器，比较器对电压环的输出电压值和电流环的输出电流值作判断，这样能够通过提取外环的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中的较小值，将较小值输入到电感电流环中作为未生效环路的积分上下限限幅值，这样能够有效解决环路切换时，未生效的环路进入生效阶段的失控现象。
进一步的，所述电压环包括第一电压环控制器、第二电压环控制器、第一加法器、第一PID调节器和第一积分器，所述电流环包括第一电流环控制器、第二电流环控制器、第二加法器、第二PID调节器和第二积分器，所述电感电流环包括电感电流环控制器和第三PID调节器；
所述第一加法器的输入端与第一电压环控制器的输出端和第二电压环控制器的输出端电连接，所述第一加法器的输出端与第一PID调节器的输入端电连接，所述第二加法器的输入端与第一电流环控制器的输出端和第二电流环控制器的输出端电连接，所述第二加法器的输出端与第二PID调节器的输入端电连接，所述第一积分器的输入端与第一PID调节器的输出端电连接，所述第二积分器的输入端与第二PID调节器的输出端电连接，所述比较器的输入端分别与第一积分器的输出端和第二积分器的输出端电连接，所述第三加法器的输入端分别与比较器的输出端和电感电流环控制器的输出端电连接，所述第三加法器的输出端与第三PID调节器的输入端电连接，所述第三PID调节器的输出端与外设的执行机构电连接。
请参照图2，本发明提供的另一种技术方案：
一种恒压恒流环路控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取外部环路的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值；
S2、将所述电压环的输出电压值与电流环的输出电流值作比较，将电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中较小值作为内部环路的电感电流环的输入参考值；
S3、根据所述输入参考值，计算得到脉冲调节信号；
S4、将所述脉冲调节信号作为外设的执行机构的驱动信号。
进一步的，所述外部环路的电压环的输出电压值的获取方法为：
获取输出电压测量值和预设的输出电压设定值；
根据PID调节算法公式、获取到所述输出电压测量值和输出电压设定值，计算得到电压输出调节值；
对所述电压输出调节值进行积分运算，得到外部环路的电压环的输出电压值。
进一步的，所述外部环路的电流环的输出电流值的获取方法为：
获取输出电流测量值和预设的输出电流设定值；
根据PID调节算法公式、获取到所述输出电流测量值和输出电流设定值和，计算得到电流输出调节值；
对所述电流输出调节值进行积分运算，得到外部环路的电流环的输出电流值。
进一步的，所述步骤S3具体为：
S31、获取电感电流测量值；
S32、根据PID调节算法公式、所述输入参考值和获取到的所述电感电流测量值，计算得到脉冲调节信号。
进一步的，所述PID调节算法公式为
Figure BDA0002660668430000041
其中Kp为比例增益，Tt为积分时间尝试，TD为微分时间尝试，e(t)为设定值与测量值之差，u(t)为PID控制器的输出调节信号。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：
在常规的环路控制中，环路切换时，会出现较大的超调量，本方案通过提取外环的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中的较小值，作为未生效环路的积分上下限限幅值，这样能够有效解决环路切换时，未生效的环路进入生效阶段的失控现象。
请参照图1，本发明的实施例一为：
一种恒压恒流环路控制系统，包括外部环路、比较器3和内部环路，所述外部环路包括电压环1和电流环2，所述内部环路包括电感电流环4，所述比较器3的输入端分别与电压环1的输出端和电流环2的输出端电连接，所述比较器3的输出端与电感电流环4的输入端电连接，所述电感电流环4的输出端与外设的执行机构电连接，所述外设的执行机构为未生效的环路。
所述电压环1包括第一电压环控制器、第二电压环控制器、第一加法器11、第一PID调节器12和第一积分器13，所述电流环2包括第一电流环控制器、第二电流环控制器、第二加法器21、第二PID调节器22和第二积分器23，所述电感电流环4包括电感电流环控制器和第三PID调节器42；
所述第一加法器11的输入端与第一电压环控制器的输出端和第二电压环控制器的输出端电连接，所述第一加法器11的输出端与第一PID调节器12的输入端电连接，所述第二加法器21的输入端与第一电流环控制器的输出端和第二电流环控制器的输出端电连接，所述第二加法器21的输出端与第二PID调节器22的输入端电连接，所述第一积分器13的输入端与第一PID调节器12的输出端电连接，所述第二积分器23的输入端与第二PID调节器22的输出端电连接，所述比较器3的输入端分别与第一积分器13的输出端和第二积分器23的输出端电连接，所述第三加法器41的输入端分别与比较器3的输出端和电感电流环控制器的输出端电连接，所述第三加法器41的输出端与第三PID调节器42的输入端电连接，所述第三PID调节器42的输出端与外设的执行机构电连接。
请参照图1和图2，本发明的实施例二为：
请参照图2，一种恒压恒流环路控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取外部环路的电压环1的输出电压值和电流环2的输出电流值；
S2、将所述电压环1的输出电压值与电流环2的输出电流值作比较，将电压环1的输出电压值和电流环2的输出电流值中较小值作为内部环路的电感电流环4的输入参考值；
S3、根据所述输入参考值，计算得到脉冲调节信号；
S4、将所述脉冲调节信号作为外设的执行机构的驱动信号。
所述外部环路的电压环1的输出电压值的获取方法为：
获取输出电压测量值和预设的输出电压设定值；
根据PID调节算法公式、获取到所述输出电压测量值和输出电压设定值，计算得到电压输出调节值；
对所述电压输出调节值进行积分运算，得到外部环路的电压环1的输出电压值。
所述外部环路的电流环2的输出电流值的获取方法为：
获取输出电流测量值和预设的输出电流设定值；
根据PID调节算法公式、获取到所述输出电流测量值和输出电流设定值和，计算得到电流输出调节值；
对所述电流输出调节值进行积分运算，得到外部环路的电流环2的输出电流值。
所述步骤S3具体为：
S31、获取电感电流测量值；
S32、根据PID调节算法公式、所述输入参考值和获取到的所述电感电流测量值，计算得到脉冲调节信号。
所述PID调节算法公式为
Figure BDA0002660668430000061
其中Kp为比例增益，Tt为积分时间尝试，TD为微分时间尝试，e(t)为设定值与测量值之差，u(t)为PID控制器的输出调节信号。
在上述求取外部环路(即外环)的输出较小值作为内部环路(即内环)的电感电流环路参考的过程中，将这一较小值保存，并作为下一步外部环路调节的积分限幅值，这样使得未生效的环路输出积分限幅值始终保持与生效的环路积分输出值一致，这一操作能有效的减少未生效的那一路调节器积分的退饱和时间，能够达到切换环路的目的；从而能够实现在恒压、恒流环路切换过程中的平滑过渡，不会出现任何被控对象的超调现象。
常规的操作办法是以最大限幅值对未生效的环路进行限幅，在环路进行切换的过程中，未生效的控制环路积分退饱和的过程较长，不能立即生效；因此控制环路失效的时间较长，会出现被控对象失调的情况。
比如正在生效的控制环路为输出电压环路，而电流控制环路因为给定值(也叫设定值)与反馈值(也叫测量值)之间的误差较大，而处于积分环路饱和状态，假使此刻，由于充电控制要求充电电流值达到电流设定值，经PID调节器后的输出值较电压环路PID输出值小，则电流环路最终将成为生效环路，在这一切换过程中，由于电压环路给定值与反馈值越来越大，电压控制环路的PID计算结果输出会一直增大，而电流环路给定值与反馈值越来越小，电流控制环路的PID计算结果会由之前的积分饱和状态逐步退出，在此过程中，按常规操作，两个环路的输出结果都无法满足输出稳定(输出电压电流平滑过渡)的要求，而按照本发明专利中提出的方案，电流环路的PID积分限幅值在未生效情况下，不是处于最大值限幅状态，而是按环路输出较小值来进行限幅，省去了积分退饱和的过程，因此能够实现恒压环路平滑过渡到恒流环路的效果，输出电压电流参数不会出现超调的现象。
本方案采用双环控制策略，其中，外环由输出电压环和输出电流环共同决定，取外部环路输出的较小值作为内环的电感电流的参考值，进一步通过PID调节器计算内部的电感电流环路，内部的电感电流环输出与固定的三角载波(由数字信号处理器内部产生)比较后，得到PWM信号(如图1所示)，作为执行机构的驱动信号。
图1中的Vset为输出电压设定值(由电池充电需求决定)，Vfb为输出电压测量值，Iset为输出电流设定值(由电池充电需求决定)，Ifb为输出电流测量值，Iindu_fb为内环的电感电流测量值。
上述的恒压恒流环路控制系统的控制方法的具体实施例为：
S1、获取外部环路的电压环1的PID调节器的输出结果和电流环2的PID调节器的输出结果；
S2、将所述电压环1的PID调节器输出结果与电流环2的PID调节器输出结果作比较，将电压环1的输出结果和电流环2的输出结果中较小值作为内部环路的电感电流环4的输入参考值；
S3、根据所述输入参考值，经电感电流环路的PID调节器计算得到脉冲调制信号；
S4、将所述脉冲调节信号作为外设的执行机构的驱动信号。
所述外部环路的电压环1的输出电压值的获取方法为：
获取输出电压测量值(或反馈值)和预设的输出电压设定值；
根据PID调节算法公式及获取到的所述输出电压测量值和输出电压设定值，计算得到电压输出调节值；
PID调节算法公式为：
Figure BDA0002660668430000081
其中：uVOUT(t)为经过PID调节器调节后得到的电压环输出调节值；
e(t)为电压测量值与设定值之差；
Kp为电压调节器比例系数；
Tt为电压调节器积分时间常数；
TD为电压调节器微分时间尝试；
所述外部环路的电流环2的输出电流值的获取方法为：
获取输出电流测量值(或反馈值)和预设的输出电流设定值；
根据PID调节算法公式及获取到的所述输出电流测量值和输出电流设定值，计算得到电流输出调节值；
PID调节算法公式为：
Figure BDA0002660668430000082
其中：uIOUT(t)为经过PID调节器调节后得到的电流环输出调节值；
e(t)为电压测量值与设定值之差；
Kp为电压调节器比例系数；
Tt为电压调节器积分时间常数；
TD为电压调节器微分时间尝试；
所述步骤S3具体为：
S31、获取电感电流测量值；
S32、根据PID调节算法公式、所述输入参考值和获取到的所述电感电流测量值，计算得到脉冲调节信号。
所述PID调节算法公式为
Figure BDA0002660668430000091
其中Kp为比例增益，Tt为积分时间尝试，TD为微分时间尝试，e(t)为设定值与测量值之差，u(t)为PID控制器的输出调节信号。
综上所述，本发明提供的一种恒压恒流环路控制系统及其控制方法，在常规的环路控制中，环路切换时，会出现较大的超调量，本方案通过设置电压环、电流环和比较器，比较器对电压环的输出电压值和电流环的输出电流值作判断，这样能够通过提取外环的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中的较小值，将较小值输入到电感电流环中作为未生效环路的积分上下限限幅值，这样能够有效解决环路切换时，未生效的环路进入生效阶段的失控现象。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种恒压恒流环路控制系统，其特征在于，包括外部环路、比较器和内部环路，所述外部环路包括电压环和电流环，所述内部环路包括电感电流环，所述比较器的输入端分别与电压环的输出端和电流环的输出端电连接，所述比较器的输出端与电感电流环的输入端电连接，所述电感电流环的输出端与外设的执行机构电连接，所述外设的执行机构为未生效的环路。
2.根据权利要求1所述的恒压恒流环路控制系统，所述电压环包括第一电压环控制器、第二电压环控制器、第一加法器、第一PID调节器和第一积分器，所述电流环包括第一电流环控制器、第二电流环控制器、第二加法器、第二PID调节器和第二积分器，所述电感电流环包括电感电流环控制器和第三PID调节器；
所述第一加法器的输入端与第一电压环控制器的输出端和第二电压环控制器的输出端电连接，所述第一加法器的输出端与第一PID调节器的输入端电连接，所述第二加法器的输入端与第一电流环控制器的输出端和第二电流环控制器的输出端电连接，所述第二加法器的输出端与第二PID调节器的输入端电连接，所述第一积分器的输入端与第一PID调节器的输出端电连接，所述第二积分器的输入端与第二PID调节器的输出端电连接，所述比较器的输入端分别与第一积分器的输出端和第二积分器的输出端电连接，所述第三加法器的输入端分别与比较器的输出端和电感电流环控制器的输出端电连接，所述第三加法器的输出端与第三PID调节器的输入端电连接，所述第三PID调节器的输出端与外设的执行机构电连接。
3.一种应用于权利要求1或2所述的恒压恒流环路控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取外部环路的电压环的输出电压值和电流环的输出电流值；
S2、将所述电压环的输出电压值与电流环的输出电流值作比较，将电压环的输出电压值和电流环的输出电流值中较小值作为内部环路的电感电流环的输入参考值；
S3、根据所述输入参考值，计算得到脉冲调节信号；
S4、将所述脉冲调节信号作为外设的执行机构的驱动信号。
4.根据权利要求3所述的恒压恒流环路控制系统的控制方法，其特征在于，所述外部环路的电压环的输出电压值的获取方法为：
获取输出电压测量值和预设的输出电压设定值；
根据PID调节算法公式、获取到所述输出电压测量值和输出电压设定值，计算得到电压输出调节值；
对所述电压输出调节值进行积分运算，得到外部环路的电压环的输出电压值。
5.根据权利要求3所述的恒压恒流环路控制系统的控制方法，其特征在于，所述外部环路的电流环的输出电流值的获取方法为：
获取输出电流测量值和预设的输出电流设定值；
根据PID调节算法公式、获取到所述输出电流测量值和输出电流设定值和，计算得到电流输出调节值；
对所述电流输出调节值进行积分运算，得到外部环路的电流环的输出电流值。
6.根据权利要求3所述的恒压恒流环路控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S31、获取电感电流测量值；
S32、根据PID调节算法公式、所述输入参考值和获取到的所述电感电流测量值，计算得到脉冲调节信号。
7.根据权利要求3或4或5所述的恒压恒流环路控制系统的控制方法，其特征在于，所述PID调节算法公式为
Figure FDA0002660668420000021
其中Kp为比例增益，Tt为积分时间尝试，TD为微分时间尝试，e(t)为设定值与测量值之差，u(t)为PID控制器的输出调节值。
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