CN112615546A - Llc谐振变换器高性能控制方法及系统 - Google Patents

Llc谐振变换器高性能控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种LLC谐振变换器高性能控制方法及系统，所述方法包括以下步骤：获取LLC谐振变换器的运行状态数据；利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪；本公开实现了直流输出电压的高抗扰快速跟踪控制，保障了系统安全高效运行。

Description

LLC谐振变换器高性能控制方法及系统
技术领域
本公开涉及高性能功率变换系统先进控制技术领域，特别涉及一种LLC谐振变换器高性能控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
LLC谐振变换器因其具有功率密度高、抗电磁干扰能力强、可实现全负载范围内软开关的优势，已逐渐成为DC-DC级的主流拓扑，被广泛应用于电动汽车充电桩、车载充电器、动力电池测试设备等系统中。
本公开发明人发现，虽然LLC谐振变换器稳态性能优异，但作为一个强耦合、非线性时变的复杂系统，其控制器设计难度陡增；目前工程应用中常采用的比例积分(PI)控制方法，参数整定困难，且抗干扰性能和动态响应性能不强。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种LLC谐振变换器高性能控制方法及系统，实现了直流输出电压的高抗扰快速跟踪控制，保障了系统安全高效运行。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种LLC谐振变换器高性能控制方法。
一种LLC谐振变换器高性能控制方法，包括以下步骤：
获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模(NFSTM)控制器得到开关频率控制量；
脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
本公开第二方面提供了一种LLC谐振变换器高性能控制系统。
一种LLC谐振变换器高性能控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
滑模控制模块，被配置为：利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
追踪控制模块，被配置为：脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公所述的方法及系统，根据变换器输出电压测量值及给定值，进行变换器的非奇异快速终端滑模控制，控制器输出值作为PWM驱动信号开关频率，原理简单，易于实现。
2、本公所述的方法及系统，可以有效提高LLC谐振变换器的动态响应，并且能够提高系统的鲁棒性和抗扰性。
3、本公所述的方法及系统，可以对输出电压实现高抗扰、小超调的跟踪控制，特别适合于电动汽车充电、动力电池充放电测试等领域。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的LLC谐振DC-DC变换器主电路拓扑图。
图2为本公开实施例1提供的LLC谐振DC-DC变换器直流增益曲线。
图3为本公开实施例1提供的LLC谐振变换器高性能控制方法的控制框图。
图4为本公开实施例1提供的输出电压给定值突变时的输出直流电压波形。
图5为本公开实施例1提供的负载电阻突变时的输出直流电压波形。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种LLC谐振变换器高性能控制方法，包括以下步骤：
获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
具体的，包括以下内容：
LLC谐振变换器的结构框图如图1所示，其中S1～S4为原边开关管，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Lm为励磁电感，DR1～DR4为整流二极管，Co为输出电容，RL为负载。直流增益图如图2所示，增益关系如公式(1)所示：
Figure BDA0002831986520000041
其中，vo为输出电压，vAB为谐振腔的输入电压，
Figure BDA0002831986520000042
为品质因数，
Figure BDA0002831986520000043
为等效负载电阻，
Figure BDA0002831986520000044
为归一化开关频率，
Figure BDA0002831986520000045
为谐振频率，fs为开关频率，
Figure BDA0002831986520000046
为总初级侧电感与谐振电感之比。
LLC谐振变换器是一个高阶非线性的系统，共有七阶，本实施例首先将LLC谐振变换器在谐振点作线性化简化，得到二阶小信号模型，然后基于上述模型设计非奇异快速终端滑模控制器。
二阶小信号模型公式如下：
Figure BDA0002831986520000047
其中，
Figure BDA0002831986520000051
定义系统输入变量为开关频率，选取给定输出电压与实际输出电压的误差为状态变量。
Figure BDA0002831986520000052
其中，vo是电源变换器的实际输出电压；Vref是系统输出电压给定值，为常量。
变换器实际输出电压vo和变换器开关频率fs表达式分别如下所示：
Figure BDA0002831986520000053
其中，Fs是谐振点的开关频率，令Fs＝fr，Vo是谐振点的输出电压，谐振点电压增益M＝Vo/Vin＝1，故Vo＝Vin，
Figure BDA0002831986520000054
是输出电压小信号变化量，
Figure BDA0002831986520000055
是开关频率小信号变化量。
对LLC谐振变换器的二阶小信号数学模型进行拉普拉斯反变换，联立公式(2)-(4)，可得到输出电压小信号变化量的二阶导数与开关频率小信号变化量的时域关系式如下：
Figure BDA0002831986520000056
微分方程表示下的系统动态模型表示为：
Figure BDA0002831986520000061
选取非奇异快速终端滑模面：
Figure BDA0002831986520000062
Figure BDA0002831986520000063
其中，k，c，λ均为大于0的常数，ε大于等于0，β大于等于1，p和q是互质的奇数，且p/q大于1。
闭环系统的Lyapunov函数设计为V＝s2/2，根据李雅普诺夫的稳定性理论，当公式(8)成立时，系统将满足滑模的到达条件。
Figure BDA0002831986520000064
将非奇异快速终端滑模面代入上述公式，可以得到：
Figure BDA0002831986520000065
设计控制器为：
Figure BDA0002831986520000066
其中，η和α为大于0的常数。
将设计的控制器再带入到公式(9)中可得：
Figure BDA0002831986520000071
由此可知，设计的非奇异快速终端滑模控制器可以满足滑模到达条件。确保系统快速进入滑模表面，使系统输出电压可以快速跟踪输出电压给定值，并具有很好的抗扰性。
基于LLC谐振变换器的非奇异快速终端滑模系统控制架构如图3所示。
为了进一步验证本实施例所提控制方法的性能，在Matlab/Simulink中搭建了系统仿真模型，进行仿真研究。谐振变换器主电路参数设置：输入电压Vin＝200V，谐振电感Lr＝25.6μH，谐振电容Cr＝25.6nF，励磁电感Lm＝75μH，变压器变比n＝18:18，输出电容Co＝940μF，开关频率100kHZ，负载RL＝40Ω。
在输出直流电压给定值突变和负载电阻突变的情况下，将所提出的NFTSM控制方法和PI控制方法的仿真结果进行对比。
图4中的a为当t＝0.2s给定的输出直流电压给定值突变为200V的输出直流电压响应波形，图4中的b为当t＝0.2s给定的输出直流电压给定值突变为180V的输出直流电压响应波形。图5中的a为当t＝0.2s负载电阻突变为20Ω的输出直流电压响应波形，图5中的b为当t＝0.2s给定的输出直流电压给定值突变为80Ω的输出直流电压响应波形。
从仿真结果中看出，当整流器存在不确定扰动时，所提控制方法与PI控制方法相比，输出直流电压追踪输出电压给定值的速度更快，超调更小，鲁棒性更强，达到了预期控制效果。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种LLC谐振变换器高性能控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
滑模控制模块，被配置为：利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
追踪控制模块，被配置为：脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
所述系统的工作方法与实施例1提供的LLC谐振变换器高性能控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的LLC谐振变换器高性能控制方法中的步骤，所述步骤为：
获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
详细步骤与实施例1提供的LLC谐振变换器高性能控制方法相同，这里不再赘述。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的LLC谐振变换器高性能控制方法中的步骤，所述步骤为：
获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
详细步骤与实施例1提供的LLC谐振变换器高性能控制方法相同，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
2.如权利要求1所述的LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：
对LLC谐振变换器的二阶小信号数学模型进行拉普拉斯反变换，结合开关频率、给定输出电压与实际输出电压的误差、变换器实际输出电压表达式以及变换器开关频率表达式，得到输出电压小信号变化量的二阶导数与开关频率小信号变化量的时域关系式。
3.如权利要求2所述的LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：
变换器实际输出电压为谐振点的输出电压与输出电压小信号变化量的加和，变换器开关频率为谐振点的开关频率与开关频率小信号变化量的加和。
4.如权利要求1所述的LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：
针对LLC谐振变换器，设计非奇异快速终端滑模面，为线性滑模面与非奇异终端滑模面的线性组合，选取非奇异快速终端滑模面进行非奇异终端滑模控制器的构建。
5.如权利要求4所述的LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：
非奇异快速终端滑模面，包括：
Figure FDA0002831986510000011
其中，k，c，λ均为大于0的常数，ε大于等于0，β大于等于1，p和q是互质的奇数，且p/q大于1。
6.如权利要求5所述的LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：
设定李雅普诺夫函数为V＝s2/2，当
Figure FDA0002831986510000021
时，满足滑模的到达条件。
7.如权利要求5所述的LLC谐振变换器高性能控制方法，其特征在于：
非奇异终端滑模控制器，包括：
Figure FDA0002831986510000022
其中，η和α为大于0的常数，Vo为谐振点的输出电压，Vref为系统输出的参考电压，x1为给定输出电压与实际输出电压的误差，x2为x1的一阶导数，kf、b1和b2为二阶小信号模型的参数，Fs为谐振点的开关频率。
8.一种LLC谐振变换器高性能控制系统，其特征在于：包括：
数据获取模块，被配置为：获取LLC谐振变换器的运行状态数据；
滑模控制模块，被配置为：利用LLC谐振变换器的输出电压，根据预设非奇异终端滑模控制器得到开关频率控制量；
追踪控制模块，被配置为：脉冲频率调制模块利用开关频率控制量产生LLC谐振变换器原边开关管的驱动信号，通过驱动信号对开关频率的调节，控制输出电压对电压给定值的追踪。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的LLC谐振变换器高性能控制方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的LLC谐振变换器高性能控制方法中的步骤。
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