CN112583265B - 一种dcdc电源控制方法及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种DCDC电源控制方法及其控制系统，属于电能变换器技术领域，包括以下步骤：S1：分别采集各并联支路的电流与其主功率器件的工作温度；S2：为各支路分别求得一组模糊控制器的输入量；S3：运用模糊控制器，对各支路分别调用一次模糊控制方法，输出各支路的控制量放大倍数；S4：根据系统给定和反馈，调用闭环控制算法，得到控制输出量；S5：将控制输出量分别与各支路的控制量放大倍数相乘，求得各支路所需的实际控制量；S6：利用实际控制量分别驱动控制对应支路上的主功率器件。该方法能保证各支路上的电流均衡与温度平衡，避免了因电路参数不同而造成的支路电流不均，或是因各支路散热条件的差异而引起的某个支路过热保护的问题。
Description
技术领域
本发明属于电能变换器技术领域，更具体地，涉及一种DCDC电源控制方法及其控制系统。
背景技术
为了达到要求的功率等级，当单个功率器件回路功率不够时，DCDC电源变换器内部常用多个支路并联来满足设定的产品功率等级要求；常规控制方法对于并联支路视为参数相同，因而使用同一控制信号进行控制，但实际上，当DCDC电源内部有多个支路并联时，由于电路参数的差异及其散热条件的不同，多个并联支路实际能够承受的电流也不同，尤其是在对DCDC电源某些支路进行维修更换后，更无法保证电路参数的一致性，因此，若不能根据各支路具体的参数特性对支路电流加以差异化控制，则会造成部分支路过流或过热，从而导致工作条件恶劣支路上的功率器件寿命缩短或者损坏。要实现每个支路电流单独控制，常规方法是在每个支路上都采用一套闭环控制策略，将总的给定除以支路数，得出每个支路的给定量，在每个支路上应用闭环控制策略，但各支路的闭环控制都会有控制误差，将支路反馈量相加之后得出总的反馈量由于存在误差累计而与给定量存在较大误差，因此控制精度差；且该方法没有考虑各支路的温度差异情况，无法根据各支路的工作状态确定各支路的工作电流；此外，常规的DCDC对于温度保护则采取开关式，即只有温度报警和不报警两种状态，该方法在已经出现了温度报警才采取保护措施，且任意一路温度传感器检测到过温，立即对整个DCDC采取降功率或停止工作措施，给整个系统的工作造成了较大的影响。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出一种DCDC电源控制方法及其控制系统，根据每个支路的电流、温度状态参数调节各支路中的电流，该方法能同时兼顾各支路的电流和温度，保证各支路上的电流均衡与温度平衡，避免了因电路参数不同而造成的支路电流不均，或是因各支路散热条件的差异而引起的某个支路过热保护的问题。
本发明采用以下具体的技术方案：
一种DCDC电源控制方法，包括以下步骤：
S1：分别采集DCDC电源的N条并联支路的电流与其主功率器件的工作温度；
S2：利用S1中的电流与温度为各支路分别求得一组模糊控制器的输入量；
S2.1：计算各支路的平均电流与平均温度；
S2.2：计算第i条支路偏离平均电流的值ΔIi和偏离平均温度的值ΔTi，一条支路的ΔIi与ΔTi为一组模糊控制器的输入量；
S3：运用模糊控制器，对各支路分别调用一次模糊控制方法，输出各支路的控制量放大倍数Ki；
S4：根据系统给定和反馈，调用闭环控制算法，得到此时DCDC电源的控制输出量；
S5：将S4中的控制输出量分别与各支路的控制量放大倍数Ki相乘，求得各支路所需的实际控制量；
S6：利用S5中的实际控制量分别驱动控制对应支路上的主功率器件。
其中，表示第i条支路，1≤i≤N，N表示DCDC电源的总支路数。
进一步的，所述S1中的各支路电流利用支路中的电流传感器采集，各支路主功率器件的工作温度利用支路中热敏电阻的阻值与温度的关系采集。
进一步的，所述S2中的偏移值指求差运算。
进一步的，所述S3中的模糊控制方法为先将一组输入量的ΔIi与ΔTi分别模糊化处理得到对应的模糊子集，再通过解模糊化处理得到精确的控制量放大倍数Ki。
进一步的，所述解模糊化处理需要建立与所述模糊子集中元素一一对应的控制量放大倍数Ki的模糊论域，从而得到精确的模糊控制规则。
进一步的，所述S4中的闭环控制算法可以采用PID控制、PI控制、滑膜控制或自适应控制。
一种运用上述控制方法的DCDC电源控制系统，包含各支路上的电流采集装置与温度采集装置，中央处理器及其外围电路，所述中央处理器控制其外围电路读取电流、温度信息并驱动各支路的功率器件。
进一步的，所述外围电路包括与电流采集装置连接的电流传感器信号调整电路、与温度采集装置连接的温度传感器信号转换电路、晶振电路、复位电路和控制量输出口，所述控制量输出口连接至功率器件的驱动模块。
进一步的，所述电流采集装置、温度采集装置分别为电流传感器、温度传感器。
进一步的，所述电流传感器信号调整电路采用差分放大电路，以消除线路的共模干扰。
本发明的有益效果为：本发明的控制方法适用于内部具有多个支路并联的电能变换器，尤其适用于多路并联的DCDC电源变换器。根据每个支路的电流、温度状态参数调节各支路中的电流，能同时兼顾各支路的电流和温度，保证各支路上的电流均衡与温度平衡，避免了因电路参数不同而造成的支路电流不均，或是因各支路散热条件的差异而引起的某个支路过热保护的问题。
附图说明
图1为一种用于燃料电池汽车的DCDC电源的电路结构示意图；
图2为本发明DCDC电源控制方法的流程框图；
图3为本发明中央处理器电路结构示意图；
图4为本发明电流传感器信号调整电路结构示意图；
图5为本发明温度传感器信号转换电路结构示意图；
图6本发明为DCDC电源控制系统的结构示意框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。
实施例1
本实施例用一种用于燃料电池汽车的DCDC升压变换器为例，对本发明的技术方案进行进一步的说明，其结构如图1所示为三路交错并联的DCDC变换器：该电路由电感L1、L2、L3，功率器件DS1、DS2、DS3，二极管D1、D2、D3，电流传感器SC1、SC2、SC3，热敏电阻RT1、RT2、RT3，滤波电容C1、C2及燃料电池和负载构成；电感、功率器件和二极管构成一条并联支路，图中共给出了三个并联支路。为了实现本发明的控制目标，采用如图2所示的控制方法：
S1：采集各支路电流传感器SC1、SC2、SC3上的电流和功率器件的工作温度T1、T2、T3。
S2：计算各支路的电流差值和温度差值，为各支路分别求得一组模糊控制器的输入量；
S2.1：计算各支路的平均电流：
计算各支路的平均温度为
S2.2：分别计算三条支路偏离平均电流的值ΔIi和偏离平均温度的值ΔTi，
i＝1,2,3。
S3：将ΔI1与ΔT1作为运用模糊控制器的输入，经模糊控制器的运算之后，输出第一条支路的控制量放大倍率K1，同样的，依次得到K2、K3；
S4：根据系统给定和反馈，调用PID闭环控制算法，得到此时DCDC电源的控制输出量PWM；
S5：将S4中的控制输出量PWM分别与各支路的控制量放大倍数Ki相乘，求得各支路所需的实际控制量PWM1、PWM2、PWM3；
S6：利用S5中的实际控制量PWM1、PWM2、PWM3分别驱动各支路上的功率器件DS1、DS2、DS3，从而达到控制各支路电流的目的。
S1中的各支路电流利用支路中的电流传感器采集，各支路主功率器件的工作温度利用支路中热敏电阻的阻值与温度的关系采集。
S3中的模糊控制方法是将实际输入量进行模糊化处理，本系统中物理量误差ΔIi与ΔTi的基本论域分别取[-100，100]和[-40，40]，分别选取量化因子为a1＝0.02和a2＝0.05对基本论域进行量化处理，则系统输入模糊论域为{-2,-1,0,1,2}，将输入论域分为5个模糊子集：{负大(NB),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正大(PB)}。控制器将采集的输入物理量使用量化因子处理后，再用四舍五入的方法匹配最接近的模糊子集，比如输入电流ΔIi为55，乘以对应的量化因子a1后，其结果为1.1，与模糊论域中的1最接近，对应的模糊子集为PS，输入量为其他值时依此类推。
接下来进行模糊规则库的建立，为了实现本系统控制量放大倍数Ki随着输入ΔIi与ΔTi变化，需要找出ΔIi、ΔTi和Ki之间的变化规则，根据本系统的特点，设计如下的模糊规则表1：
表1.控制量放大倍数Ki的模糊规则表
为了得到精确的输出控制量放大倍数Ki，需要对Ki进行解模糊处理，为了避免系统出现较大扰动，将各支路的控制量放大倍率控制在正负20％，由此将Ki的模糊论域定义为{0.8,0.9,1,1.1,1.2}，分别对应表格中的{负大(NB),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正大(PB)}，从而得到精确的模糊控制规则表2：
表2.控制量放大倍数Ki的精确模糊控制规则表
根据以上表格，通过查表可以得到精确的Ki值，首先找到ΔIi和ΔTi对应的模糊论域值，再使用这两个值进行查表得出最终Ki值，其方法举例如下：
如ΔIi的计算得到模糊论域值为2，且ΔTi计算得到模糊论域值也为2时，在精确的模糊控制规则表中对应的位置为第一行第一列，查表得到此时Ki的输出值为0.8；
如ΔIi的计算得到模糊论域值为2，且ΔTi计算得到模糊论域值也为1时，在精确的模糊控制规则表中对应的位置为第二行第一列，查表得到此时Ki的输出值为0.9；
Ki的其他输出值依次类推。
S4中的闭环控制算法可以采用PID控制，还可以采用PI控制、滑膜控制或自适应控制等。
如图3至图6所示，一种运用上述控制方法的DCDC电源控制系统，包含各支路上的电流传感器与温度传感器，中央处理器及其外围电路。外围电路包括与电流传感器连接的电流传感器信号调整电路、与温温度传感器连接的温度温度传感器信号转换电路、晶振电路、复位电路和控制量输出口，控制量输出口连接至功率器件的驱动模块。
中央处理器的芯片U1采用TMS320F28035，本系统控制量输出端口为PWM1、PWM2和PWM3，PWM1、PWM2和PWM3连接至功率器件的驱动模块，功率器件根据系统的具体需求选择，比如英飞凌公司的FF300R12KT4、FF450R12KT4等，功率器件驱动模块可以选择市售模块及其推荐电路，比如CONCEPT公司的2SC0435驱动模块。
电流传感器使用0～5V信号输出或者4～20mA信号，如图4所示，电流传感器信号调整电路采用差分放大电路，以消除线路的共模干扰，采用OP07CD作为运算放大芯片U2，运算放大芯片U2的2脚连接有电阻R9、电阻R11电容C10，电阻R9的另一端连接至电容C9、电阻R8和输入连接器P14的2脚，电阻R11和C10的另一端连接至电阻R12，电阻R12的另一端连接至U2的6脚，运算放大芯片U2的3脚连接有电阻R10、电阻R13、电容C11，电阻R10的另一端连接至电容C9、电阻R8的另一端和输入连接器P14的1脚，电阻R13和电容C11的另一端连接至AGND和稳压管D13的阳极，稳压管D13的阴极连接至电阻R11与电阻R12的公共端，稳压管D13的阴极同时还连接至主控MCU的AI1引脚；稳压管D2的作用是保护主控MCU的引脚，避免过压损坏主控MCU的AD端口。模拟量采集调整电路的输入端连接至车辆上需要监测的模拟信号端口。本电路中一共包含了三路电流传感器信号调整电路，这三路电流传感器信号传感器调整电路采用相同的电路结构，其输出端口分别连接至中央处理器的AI2和AI3。
如图5所示，温度传感器信号转换电路采用5V电源供电，5V电源连接至电阻R19，电阻R19一端接齐纳二极管U11，齐纳二级管U11与电容C20并联，电容C20正极接温度传感器正极，电容C20负极接电阻R22后与温度传感器负极连接，温度传感器负极接电阻R21，所述电阻R21接中央处理器的AI4端口。本电路中一共包含了三路电流传感器信号调整电路，这三路温度传感器信号转换电路采用相同的电路结构，其与处理器的连接端口分别为AI5和AI6。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种DCDC电源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别采集DCDC电源的N条并联支路的电流与其主功率器件的工作温度；
S2：利用S1中的电流与温度为各支路分别求得一组模糊控制器的输入量；
S2.1：计算各支路的平均电流与平均温度；
S2.2：计算第i条支路偏离平均电流的值ΔIi和偏离平均温度的值ΔTi，一条支路的ΔIi与ΔTi为一组模糊控制器的输入量；
S3：运用模糊控制器，对各支路分别调用一次模糊控制方法，输出各支路的控制量放大倍数Ki；
S4：根据系统给定和反馈，调用闭环控制算法，得到此时DCDC电源的控制输出量；
S5：将S4中的控制输出量分别与各支路的控制量放大倍数Ki相乘，求得各支路所需的实际控制量；
S6：利用S5中的实际控制量分别驱动控制对应支路上的主功率器件，
其中，表示第i条支路，1≤i≤N，N表示DCDC电源的总支路数。
2.根据权利要求1所述的DCDC电源控制方法，其特征在于，所述S1中的各支路电流利用支路中的电流传感器采集，各支路主功率器件的工作温度利用支路中热敏电阻的阻值与温度的关系采集。
3.根据权利要求1所述的DCDC电源控制方法，其特征在于，所述S2中的偏移值指求差运算。
4.根据权利要求1所述的DCDC电源控制方法，其特征在于，所述S3中的模糊控制方法为先将一组输入量的ΔIi与ΔTi分别模糊化处理得到对应的模糊子集，再通过解模糊化处理得到精确的控制量放大倍数Ki。
5.根据权利要求4所述的DCDC电源控制方法，其特征在于，所述解模糊化处理需要建立与所述模糊子集中元素一一对应的控制量放大倍数Ki的模糊论域，从而得到精确的模糊控制规则。
6.根据权利要求1所述的DCDC电源控制方法，其特征在于，所述S4中的闭环控制算法可以采用PID控制、PI控制、滑膜控制或自适应控制。
7.一种运用权利要求1-6任一所述控制方法的DCDC电源控制系统，其特征在于，包含各支路上的电流采集装置与温度采集装置，中央处理器及其外围电路，所述中央处理器控制其外围电路读取电流、温度信息并驱动各支路的功率器件。
8.根据权利要求7所述的DCDC电源控制系统，其特征在于，所述外围电路包括与电流采集装置连接的电流传感器信号调整电路、与温度采集装置连接的温度传感器信号转换电路、晶振电路、复位电路和控制量输出口，所述控制量输出口连接至功率器件的驱动模块。
9.根据权利要求7所述的DCDC电源控制系统，其特征在于，所述电流采集装置、温度采集装置分别为电流传感器、温度传感器。
10.根据权利要求8所述的DCDC电源控制系统，其特征在于，所述电流传感器信号调整电路采用差分放大电路，以消除线路的共模干扰。
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