CN112600413A - 一种dc-dc变换器的内阻观测方法及内阻观测器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种DC‑DC变换器的内阻观测方法及内阻观测器，涉及电学领域。DC‑DC变换器的等效电路至少包括电感器、电容器、开关管、二极管以及负载，该方法包括：基于开关管的开关信号和DC‑DC变换器的等效电路确定DC‑DC变换器的内电阻；根据内电阻、电感器、电容器以及负载确定DC‑DC变换器的电压方程和电流方程；基于电压方程和电流方程构建DC‑DC变换器的内阻观测器模型；根据内阻观测器模型计算内电阻的观测值。通过本发明，解决了相关技术中因采用忽略了DC‑DC变换器各种损失所研究的非线性控制策略进而影响DC‑DC变换器性能的技术问题。

Description

一种DC-DC变换器的内阻观测方法及内阻观测器
技术领域
本发明涉及电学领域，具体而言，涉及一种DC-DC变换器的内阻观测方法及内阻观测器。
背景技术
目前，DC-DC变换器在直流微电网、新能源发电系统等工业领域得到了广泛应用。DC-DC变换器的性能直接影响其所在的应用系统的性能，DC-DC变换器的性能取决于其拓扑结构、器件、调制、控制策略。对于拓扑结构、器件、调制一定的DC-DC变换器，控制策略就成为提升其性能的主要途径。传统的控制策略为均采用PI控制器(全称为proportionalintegral controller，即比例积分控制器)的直流电压外环、电流内环的控制结构；由于PI是基于小信号模型设计的，对于具有非线性属性的DC-DC变换器，在大信号情况下难以获得期望动态的性能，且参数确定比较困难。
相关技术中，众多学者开始采用非线性控制理论对DC-DC变换器进行研究，研究出各种非线性控制策略；这些非线性控制策略，多数假设变换器中器件为理想器件。在实际工程中，器件并非理想器件，会存在各种损失，如电感器电阻损失、开关器件损失等，这样会导致按理想器件研究的控制策略使DC-DC变换器的动态和稳态性能下降。
针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的DC-DC变换器的内阻观测方法及内阻观测器。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种DC-DC变换器的内阻观测方法，所述DC-DC变换器的等效电路至少包括电感器、电容器、开关管、二极管以及负载，所述方法包括：基于所述开关管的开关信号和所述DC-DC变换器的等效电路确定所述DC-DC变换器的内电阻；根据所述内电阻、所述电感器、所述电容器以及所述负载确定所述DC-DC变换器的电压方程和电流方程；基于所述电压方程和所述电流方程构建所述DC-DC变换器的内阻观测器模型；根据所述内阻观测器模型计算所述内电阻的观测值。
一种可能的实现方式，所述基于所述开关管的开关信号和所述DC-DC变换器的等效电路确定所述DC-DC变换器的内电阻包括：确定所述开关信号的占空比，其中，所述占空比表示所述开关管导通或断开时所占的时长与所述开关信号的开关周期之比；根据所述占空比、所述二极管的等效电阻、所述开关管的等效电阻以及所述电感器的等效电阻确定所述内电阻。
另一种可能的实现方式，所述根据所述内电阻、所述电感器、所述电容器以及所述负载确定所述DC-DC变换器的电压方程和电流方程包括：基于所述DC-DC变换器的输入电源、所述开关信号的占空比、所述内电阻、所述电感器的电感值以及所述电容器的电容电压确定所述电压方程；以及，基于所述开关信号的占空比、所述电容器的电容值、所述电感器的电感电流以及所述负载的电阻值确定所述电流方程。
另一种可能的实现方式，基于所述电压方程和所述电流方程构建所述DC-DC变换器的内阻观测器模型包括：设x＝[x1 x2]T＝＝[iL uC]T，其中，所述uC表示所述电容器的电容电压，所述iL表示所述电感器的电感电流；通过将所述x和所述占空比代入所述电压方程和所述电流方程构建所述DC-DC变换器的内阻观测器模型。
另一种可能的实现方式，根据所述内阻观测器模型计算所述内电阻的观测值包括：基于所述内阻观测器模型构建与所述DC-DC变换器对应的积分观测器；根据所述积分观测器计算所述内电阻的观测值。
另一种可能的实现方式，所述方法还包括：构建观测误差re＝re(0)e-γt，其中，所述re为所述观测值与所述内电阻的实测值之间的差值，re(0)为初始误差，γ为衰减增益，t为衰减时间；根据所述观测误差re对所述DC-DC变换器的内电阻进行观测。
第二方面，提供了一种DC-DC变换器的内阻观测器，所述内阻观测器用于实现上述任一项所述的方法。
借由上述技术方案，本发明实施例提供的DC-DC变换器的内阻观测方法，针对DC-DC变换器的等效电路，通过根据DC-DC变换器的电感器、电容器、开关管以及二极管的等效电阻或等效电导确定DC-DC变换器的等效内阻(即内电阻)，根据DC-DC变换器的等效内阻构建DC-DC变换器的内阻观测器模型，考虑到了DC-DC变换器中各个器件的损失问题，实现了对DC-DC变换器的等效内阻进行准确观测，解决了相关技术中因采用忽略了DC-DC变换器各种损失所研究的非线性控制策略进而影响DC-DC变换器性能的技术问题，从而提升了DC-DC变换器的动态和稳态的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是根据本发明实施例的一种DC-DC变换器的内阻观测方法的流程图；
图2是根据本发明实施例提供的一种boost变换器主电路的示意图；
图3是根据本发明实施例提供的一种采用积分构建的内阻观测器的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。
为了解决相关技术存在的技术问题，本发明实施例提供一种能够反映相关技术中DC-DC变换器损失的电阻的观测器，可应用于非线性控制策略中，进而提升了DC-DC变换器的动态和稳态性能。下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本发明的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
在本实施例中提供了一种DC-DC变换器的内阻观测方法，本实施例中的DC-DC变换器的等效电路至少包括：电感器、电容器、开关管、二极管以及负载，如图1所示，图1是根据本发明实施例的一种DC-DC变换器的内阻观测方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S102，基于开关管的开关信号和DC-DC变换器的等效电路确定DC-DC变换器的内电阻；
本实施例中的DC-DC变换器为开关变换器，开关变换器电路的工作方式普遍采用脉冲宽度调制PWM(全称为Pulse Width Modulation)或脉冲频率调制PFM(全称为PulseFrequency Modulation)，通过开关管把直流电斩成方波(脉冲波)，通过调节方波的占空比(脉冲宽度与脉冲周期之比)来改变电压，从而把一种直流电转换成不同电压的直流电输出。开关变换器包括多种类型，例如boost变换器(又称为升压变换器)、buck变换器(又称为降压变换器)、buck-boost变换器(又称为升降压式变换器)等。
在本实施例中，内电阻为DC-DC变换器中各个器件损失的电阻的等效电阻，使得本方案所构建的内阻观测器考虑了DC-DC变换器中各个器件的各种损失情况。
步骤S104，根据内电阻、电感器、电容器以及负载确定DC-DC变换器的电压方程和电流方程；
步骤S106，基于电压方程和电流方程构建DC-DC变换器的内阻观测器模型；
步骤S108，根据内阻观测器模型计算内电阻的观测值。
本发明实施例提供的DC-DC变换器的内阻观测方法，针对DC-DC变换器的等效电路，通过根据DC-DC变换器的电感器、电容器、开关管以及二极管的等效电阻或等效电导确定DC-DC变换器的等效内阻(即上述内电阻)，根据DC-DC变换器的等效内阻构建DC-DC变换器的内阻观测器模型，考虑到了DC-DC变换器中各个器件的损失问题，实现了对DC-DC变换器的等效内阻进行准确观测，解决了相关技术中因采用忽略了DC-DC变换器各种损失所研究的非线性控制策略进而影响DC-DC变换器性能的技术问题，从而提升了DC-DC变换器的动态和稳态的性能。
本发明实施例中提供了一种可能的实现方式，基于开关管的开关信号和DC-DC变换器的等效电路确定DC-DC变换器的内电阻包括：确定开关信号的占空比，其中，占空比表示开关管导通或断开时所占的时长与开关信号的开关周期之比；根据占空比、二极管的等效电阻、开关管的等效电阻以及电感器的等效电阻确定内电阻。
在本实施例的一个示例中，以DC-DC boost变换器为例，boost变换器的等效电路是由开关管和二极管组成的，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，晶体管与二极管并联的稳压电路。本案的实施例中，以DC-DC boost变换器为例研究变换器的内阻观测器，其思想可推广到其它DC-DC变换器的内阻观测。
图2是根据本发明实施例提供的一种boost变换器主电路的示意图，如图2所示，考虑电感器、电容器、开关管及二极管损失的DC-DC boost变换器，其中，电感L串联损失电阻rL(即电感器的等效电阻)，T为IGBT开关管(全称为Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，开关管T串联损失电阻rT(即开关管的等效电阻)，二极管D串联损失电阻rD(即二极管的等效电阻)，电容C串联损失电导gC(即电容器的等效电导)，RL为boost变换器的负载。
在给boost变压器的输入端提供输入电源us后，电流iL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式存储在电感线圈L中；此时电容放电，为负载RL提供电压uC，电流iP；假设，开关管导通时，开关序列为1，关断时，开关序列为0，根据开关周期以及开关序列可以计算开关信号的占空比；然后根据电流和电压的计算公式确定开关管在导通或关断时boost变压器输出的电压和电流，从而计算DC-DC变换器的内电阻。
设ug为IGBT开关管的PWM(全称为Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制)驱动信号，取值为1或0。
开关管导通时，ug＝1，根据图2中的电路图，boost变换器的电压方程和电流方程参见公式(1)：
Figure BDA0002762354030000061
开关管关断时，ug＝0，根据图2中的电路图，boost变换器的电压方程和电流方程参见公式(2)：
Figure BDA0002762354030000062
综合公式(1)和公式(2)，可得直流变换器的数学模型，如公式(3)：
Figure BDA0002762354030000071
在一个可能的实现方式中，如图2所示的电路图，由于电容器漏电阻很大，漏电流小于3μA，因此，gC很小，可忽略不计；因此该boost变换器电阻可通过计算开关管和二极管的等效电阻得到。
根据图2中所示的电路图，可令开关管IGBT和二极管D的等效电阻为公式(4)：
req＝ugrT+(1-ug)rD＝σrT+(1-σ)rD (4)
因此该boost变换器的内电阻为r＝rL+req。
在本案的一种可能的实现方式中，根据内电阻、电感器、电容器以及负载确定DC-DC变换器的电压方程和电流方程包括：基于DC-DC变换器的输入电源、开关信号的占空比、内电阻、电感器的电感值以及电容器的电容电压确定电压方程；以及，基于开关信号的占空比、电容器的电容值、电感器的电感电流以及负载的电阻值确定电流方程。
基于图2所示的电流图，将开关信号的占空比σ和电阻r带入公式(3)，得到公式(5)(即上述电压方程和电流方程)：
Figure BDA0002762354030000072
在本案的一种可能的实现方式中，基于电压方程和电流方程构建DC-DC变换器的内阻观测器模型包括：设x＝[x1 x2]T＝＝[iL uC]T，其中，uC表示电容器的电容电压，iL表示电感器的电感电流；通过将x和占空比代入电压方程和电流方程构建DC-DC变换器的内阻观测器模型。
参见图2所示的电路图，利用内阻观测器计算DC-DC变换器的内电阻，设定x＝[x1x2]T＝[iL uC]T，将DC-DC变换器的数学模型(即上述公式(5))转换为内阻观测器的数学模型；得到DC-DC boost变换器内阻观测器模型为：
Figure BDA0002762354030000081
根据内阻观测器的数学模型计算内电阻的观测值
Figure BDA0002762354030000082
其中，γ表示正增益，f(x)＝Llnx1。
根据上述实施例，还包括：构建观测误差re＝re(0)e-γt，其中，re为观测值与内电阻的实测值之间的差值，re(0)为初始误差，γ为衰减增益，t为衰减时间；根据观测误差re对DC-DC变换器的内电阻进行观测。
在本实施例中，令观测误差为：
Figure BDA0002762354030000083
考虑到r变换相当缓慢，则有公式(7)：
Figure BDA0002762354030000084
由式(5)和(6)可得：
Figure BDA0002762354030000085
可得：
Figure BDA0002762354030000086
于是得到：
re＝re(0)e-γt (9)
式(9)表明，观测误差是以初始误差re(0)按指数衰减到0，即
Figure BDA0002762354030000087
衰减速度由γ决定，γ越大，观测值
Figure BDA0002762354030000088
趋于r的速度越快，内电阻的观测值越接近与实际值。因此，内阻观测器(6)可对DC-DC boost变换器内电阻实现有效地、精准地观测。
在本案的一种可能的实现方式中，还包括：根据内阻观测器模型计算内电阻的观测值包括：基于内阻观测器模型构建与DC-DC变换器对应的积分观测器；根据积分观测器计算内电阻的观测值。在本实施例中，为了避免内阻观测器(6)中微分项的敏感性，采用积分构成内阻观测器，如图3所示，图3是根据本发明实施例提供的一种采用积分构建的内阻观测器的示意图。
根据本发明实施例提供的一种直流变换器的内阻观测方法，在本案的一个示例中，基于仿真参数：
us＝100V；uC＝200V；L＝5mH；C＝940μF；RL＝80Ω；fS＝10KHz；req＝ugrT+(1-ug)rD；
经过多次试验仿真，得到DC-DC boost变换器的内阻观测器的仿真结果如下：
(1)第一组仿真结果：
设rL＝0.4Ω，rT＝rD＝0.1Ω。稳态σ＝0.5076；理论计算值r＝0.3Ω；
观测值
Figure BDA0002762354030000091
观测相对误差re为0.63％。
设rL＝0.4Ω，rT＝0.15Ω，rD＝0.1Ω。稳态σ＝0.5136；理论计算值r＝0.52568Ω；观测值
Figure BDA0002762354030000092
观测相对误差re为0.57％。
(2)第二组仿真结果：
设rL＝0.2Ω，rT＝0.08Ω，rD＝0.08Ω，稳态σ＝0.507；理论计算值r＝0.28Ω；
观测值
Figure BDA0002762354030000093
观测相对误差re为0.28％。
设rL＝0.2Ω，rT＝0.12Ω，rD＝0.08Ω。稳态σ＝0.5076；理论计算值r＝0.3003Ω；观测值
Figure BDA0002762354030000094
观测相对误差re为0.37％。
通过上述实施例，利用变换器可测量和控制参数就可实现对未知电阻(即损失电阻)的观测，为变换器的等效内阻提供一个精确的观测值，提高变换器的控制性能；通过调节唯一参数γ就可调节观测收敛速度；内阻观测器实现只含有积分和基本数学运算，具有易于实现、相对误差小的特点。
需要说明的是，实际应用中，上述所有可能的实施方式可以采用结合的方式任意组合，形成本发明的可能的实施例，在此不再一一赘述。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种DC-DC变换器的内阻观测方法，所述DC-DC变换器的等效电路至少包括电感器、电容器、开关管、二极管以及负载，其特征在于，所述方法包括：
基于所述开关管的开关信号和所述DC-DC变换器的等效电路确定所述DC-DC变换器的内电阻；
根据所述内电阻、所述电感器、所述电容器以及所述负载确定所述DC-DC变换器的电压方程和电流方程；
基于所述电压方程和所述电流方程构建所述DC-DC变换器的内阻观测器模型；
根据所述内阻观测器模型计算所述内电阻的观测值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述开关管的开关信号和所述DC-DC变换器的等效电路确定所述DC-DC变换器的内电阻包括：
确定所述开关信号的占空比，其中，所述占空比表示所述开关管导通或断开时所占的时长与所述开关信号的开关周期之比；
根据所述占空比、所述二极管的等效电阻、所述开关管的等效电阻以及所述电感器的等效电阻确定所述DC-DC变换器的内电阻。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述内电阻、所述电感器、所述电容器以及所述负载确定所述DC-DC变换器的电压方程和电流方程包括：
基于所述DC-DC变换器的输入电源、所述开关信号的占空比、所述内电阻、所述电感器的电感值以及所述电容器的电容电压确定所述电压方程；以及，
基于所述开关信号的占空比、所述电容器的电容值、所述电感器的电感电流以及所述负载的电阻值确定所述电流方程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述电压方程和所述电流方程构建所述DC-DC变换器的内阻观测器模型包括：
设x＝[x1 x2]T＝＝[iL uC]T，其中，所述uC表示所述电容器的电容电压，所述iL表示所述电感器的电感电流；
通过将所述x和所述占空比代入所述电压方程和所述电流方程构建所述DC-DC变换器的内阻观测器模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述内阻观测器模型计算所述内电阻的观测值包括：
基于所述内阻观测器模型构建与所述DC-DC变换器对应的积分观测器；
根据所述积分观测器计算所述内电阻的观测值。
6.根据权利要求1或5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
构建观测误差re＝re(0)e-γt，其中，所述re为所述观测值与所述内电阻的实测值之间的差值，re(0)为初始误差，γ为衰减增益，t为衰减时间；
根据所述观测误差re对所述DC-DC变换器的内电阻进行观测。
7.一种DC-DC变换器的内阻观测器，其特征在于，所述内阻观测器用于实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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