CN113014090B

CN113014090B - 一种高增益变换器的控制方法及控制电路

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Publication number: CN113014090B
Application number: CN202110375338.5A
Authority: CN
Inventors: 张桂东; 何卓霖
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2041-04-08
Also published as: CN113014090A

Abstract

本发明公开了一种高增益变换器的控制电路，应用于一种高增益变换器的改进型电流模式控制回路，能够根据主电路的输入输出关系，通过计算预测负载的变化趋势，解决实际应用中因负载多变或难以测量造成传统电流模式控制的参考电感电流不准确的问题，从而提高系统的鲁棒性和稳定性。同时也公开了一种应用于上述高增益变换器的自适应控制方法，当负载发生剧烈变化，使系统静态工作点发生大幅度的改变导致控制失稳时，通过估计值感知电感电流变化趋势并改变控制电路的基准值，提高系统的动态性能与抗扰动能力；当所述高增益变换器的负载未知或难以测量时，也可以通过该控制方法对负载进行预测，保证电流模式控制方法对所述高增益变换器控制的鲁棒性。

Description

一种高增益变换器的控制方法及控制电路

技术领域

本发明涉及设备抗扰动技术领域，特别是涉及一种高增益变换器的控制方法及控制电路。

背景技术

随着经济的发展和科技的进步，化石能源被大量地开采利用，这在大大减少了地球化石能源储备的同时也不可避免地对环境造成了一定程度的污染，其中全球能源消耗大部分发生在城市，而其中将近一半来自城市交通燃烧的化石燃料。为了响应可持续发展的战略目标，一种以无噪音、获取便捷、无污染等等为目标的新能源动力系统得到了越来越多的关注。

此类新能源动力系统主要依靠直流供电，且对其负载两端电压幅值有着非常高的要求；此外，由于此类新能源动力系统的复杂性和多变性，难以对其负载进行有效的建模，而无法将负载值有效地给到为此类动力系统提供电压的高增益变换器的闭环控制参数中，导致控制器对系统无法快速跟踪扰动响应。因此，如何为其提供所需的高电压以及如何对其进行稳定、有效的控制是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为高增益变换器提供一种控制方法及控制电路，在负载未知的情况下也可以对上述高增益变换器输出电压进行稳定的控制，消除负载发生变化对高增益变换器系统稳定性造成的影响，提高了高增益变换器的控制电路的动态性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高增益变换器的控制电路，所述高增益变换器为负载输出较高的直流电压，可以在不用事先获取负载信息的情况下使得输出电压跟随给定参考值，包括：

输入端与所述高增益变换器中一个电感串联的电流获取电路，用于采集所述电感的电流值，所述电感的实际电流值/所述电流获取电路采集的电流值＝K_i，K_i为正实数；

输入端与负载并联的电压获取电路，用于采集负载两端的电压值，所述电压获取电路采集的电流值/负载两端实际的电压值＝K_v，K_v为正实数；

输入端与所述电压负载电路输出端连接的负载预测电路，用于在线预测所述高增益变换器输出端负载的阻抗值，将结果输出到控制电路运算后作为电感电流的参考值；

输入端分别与所述电流获取电路输出端、负载预测电路输出端连接的主控制电路，用于根据所述电感电流及所述负载预测值对所述可控开关进行自适应控制，以使所述高增益变换器在负载未知或负载变化时仍能够使得输出电压等于所需要的的电压参考值。

优选地，所述电流获取电路为霍尔电流传感器。

优选地，所述电压获取电路为霍尔电压传感器。

优选地，所述负载预测电路包括：

正相输入端与电压获取电路输出端连接，反相输入端与参考电压模块输出端连接的差分放大器，用于获得所述输出电压减去所述输出电压参考值的差值，并对该差值按一定比例进行放大，以根据电压误差值来得到控制电压，其中，比例放大系数为β；

输入端与比例放大器输出端连接的负载预测模块，用于根据所述控制电压进行数学运算，以对所述负载的值进行估计。

优选地，所述主控制电路包括：

正相输入端与负载预测电路输出端连接，反相输入端与参考零电位连接的比例放大器，用于对所述负载预测电路输出的负载值的倒数进行运算，以将该数值作为流过所述电感器电流的参考值；

正相输入端与电流获取电路输出端连接，反相输入端与所述比例放大器输出端连接的差分放大器，用于对流过所述电感器的电流与所述电感电流参考值的差值按比例放大，其中，比例放大系数为K_p；

正相输入端与参考占空比模块连接，反相输入端所述差分放大器输出端连接的减法电路，用于根据流过所述电感器电流与所述参考电流的差值产生可控开关的占空比；

输入端与所述减法电路输出端连接，输出端与所述高增益变换器的可控开关的控制端连接的PWM控制模块，用于在接收到所述占空比信号时输出控制电平给所述可控开关的驱动电路以控制所述可控开关的通断，并在每个开关周期更新所输出的占空比控制电平。

优选地，所述具有自适应调节电感参考电流的高增益变换器电流型控制方法，其特征在于：该控制方法能使高增益变换器快速适应负载的变化，并稳定快速地消除负载扰动，其控制方法具体内容如下：

对所述电压获取电路采集的负载电压值与所述参考电压的误差通过归一化自适应控制方法及积分运算得到所述高增益变换器输出负载的估计值；

将所述负载估计值通信号过放大器的比例放大，使其作为流过所述电感器电流的参考值；

对所述电流获取电路采集的电感电流与所述电感器电流的参考值的差值进行比例控制，使流过所述电感器的电流跟随所述电感电流参考值，同时使得输出端的负载电压等于所述参考电压。

本发明实施例具有以下有益效果：

与现有的电流型控制技术相比，本发明电路具有：较好地解决了高增益变换器在负载未知且多变的情况下难以控制的问题；其电路明确，不需要知道负载的精准电气模型；引入电压、电流双反馈回路，能够对非最小相位系统的高增益变换器进行更快速稳定的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种高增益变换器的控制电路结构示意图；

图2为本发明的另一种高增益变换器的控制电路结构示意图；

图3为本发明提供的一种高增益变换器控制方法的过程流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种高增益变换器的控制方法及控制电路，在负载未知的情况下也可以对上述高增益变换器输出电压进行稳定的控制，负载变化时能够针对该负载扰动给高增益变换器输出电压带来的影响加以消除，提高了高增益变换器的控制电路的动态性能。

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、完整的描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体地，本申请提供的控制电路适用于高增益变换器中的所有元器件在可控开关Q的一个开关周期内的平均值与输入电压和输出电压的平均值呈线性关系的高增益变换器，即，高增益变换器可建立状态空间平均模型。本发明中可控开关Q以N沟道场效应管为例，在实际应用中，用户可以根据实际需要来选择相应的可控开关Q，本申请在此不做特别限定。

请参照图1，图1为本发明提供的一种高增益变换器的控制电路的结构示意图，图中所述高增益变换器中的所有元器件在可控开关Q的一个开关周期内的平均值与输入电压和输出电压的平均值呈线性关系，图中包括：

输入端与负载并联的电压获取电路，用于采集负载两端的电压值，所述负载两端的实际电压值/所述电压获取电路采集的电压值＝K_v，K_v为正实数；

所述负载预测电路包括：

所述主控制电路包括：

正相输入端与权利要求2所述负载预测电路输出端连接，反相输入端与参考零电位连接的比例放大器，用于对所述负载预测电路输出的负载值的倒数进行运算，以将该数值作为流过所述电感器电流的参考值；

正相输入端与所述电流获取电路输出端连接，反相输入端与所述比例放大器输出端连接的差分放大器，用于对流过所述电感器的电流与所述电感电流参考值的差值按比例放大，其中，比例放大系数为K_v；

正相输入端与参考占空比模块连接，反相输入端与权利要求3所述差分放大器输出端连接的减法电路，用于根据流过所述电感器电流与所述参考电流的差值产生可控开关的占空比；

在本申请中，以大写之母表示平均值，以小写字母表示瞬时值。此外，本申请适用于其中的高增益变换器中的所有元器件在可控开关Q的一个开关周期内的平均值与输入电压和输出电压的平均值呈线性关系的高增益变换器，即，高增益变换器可建立状态空间平均模型。

设高增益变换器在可控开关导通时的状态方程为：

在可控开关关断时间的状态方程为：

输出方程为：y＝Cx。

在本发明中，A、B、C分别代表高增益变换器的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵；x、u、y分别代表高增益变换器的状态变量、输入变量和输出变量。

设高增益开关导通时间与一个通断周期时间的比值为D，则其状态空间平均模型为：

状态方程：

输出方程：y＝Cx。

以图1所述高增益变换器为例，采用广义状态空间平均模型，其状态方程为：

其中，n为增益模块的数量，L为每个增益模块中的电感值(每个增益模块的电路参数都是相等的)，C和R分别为高增益变换器输出端的输出电容和输出负载。

当系统稳定时，状态变量的斜率为0，代入状态方程0＝Ax+Bu可求得各状态变量的稳定值表达式x＝-A^-1Bu，将输出变量参考值U_d代入输出方程，得U_d＝Cx，联立方程从而得到该高增益变换器在参考电压U_d下的占空比参考值：

以及电感电流参考值表达式：

为解决负载未知或变化的条件下所述高增益变换器采用传统电流模式控制时的电感电压参考值难以确定的问题，在本发明的高增益变换器的自适应控制方法中，将R作为需要估计的参数值，记为

令

则参考电流估计值可表示为：

在本发明采用的控制方法中，自适应参数估计值

对时间的导数为

其中e＝u_o-U_d为高增益变换器输出电压的误差值，f_m为该导数关于误差e的最大值，β为正定的误差放大系数，可根据实际情况而定，本发明不做限定。

则高增益变换器的占空比可表示为

其中，K_p为根据工程实际情况而定的比例系数。

当负载阻值R增大时，电感电流i_L减小，占空比D增大，导致输出电压u_o增大，产生大于0的误差e，从而使参数估计值

减小，即

增大并逐渐逼近实际值R，并令电感电流i_L跟踪参考电流

以使输出电压等于输出电压的参考值。

当负载阻值R减小时，电感电流i_L增大，占空比D减小，导致输出电压u_o减小，产生大于0的误差e，从而使参数估计值

增大，即

减小并逐渐逼近实际值R，并令电感电流i_L跟踪参考电流

以使输出电压等于输出电压的参考值。

综上，该控制电路在对高增益变换器中的可控开关Q进行控制时引入了高增益变换器的电感电流和输出电压，其中，负载预测电路使得参考电流跟随负载而变化，控制电路基于参考电流和电感电流并结合自适应电流型控制的原理，使得电感电流持续跟踪参考电流，最终使得高增益变换器的输出电压等于输出电压参考值，从而消除了负载扰动对高增益变换器的输出电压的影响，提高了高增益变换器的控制电路的动态性能。

本申请提供的高增益变换器的控制电路可以应用于离子引擎推动中，离子推进引擎中高阶变换器的负载是不规则运动的离子，伴随而来的负载扰动也较大，采用本申请提高控制电路来控制高增益变换器，可以有效提升高增益变换器抗负载扰动的性能。

请参照图2，图2为本发明提供的一种具体的高增益变换器的控制电路的结构示意图，在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，电流获取电路包括：

用于采集流过所述高增益变换器中一个电感器电流值的霍尔电流传感器。

具体地，所述电感的实际电流值/所述电流获取电路采集的电流值＝K_i，K_i为正实数。

作为一种优选的实施例，电压获取电路包括：

用于采集负载两端的电压值的霍尔电压传感器。

具体地，所述负载两端的实际电压值/所述电压获取电路采集的电压值＝K_v，K_v为正实数。

作为一种优选的实施例，负载预测电路包括：

用于计算输出电压与参考电压误差的误差放大模块，以及用于在线预测所述高增益变换器输出端负载的阻抗值，将结果输出到控制电路运算后作为电感电流的参考值的负载预测模块。

具体地，所述负载预测电路包括：

正相输入端与电压获取电路输出端连接，反相输入端与参考电压模块输出端连接的差分放大器，用于获得所述输出电压减去所述输出电压参考值的差值，并对该差值按一定比例进行放大，以根据电压误差值来得到控制电压，其中，比例放大系数为β。

用于自适应参数估计的负载预测模块包括输入端与差分放大器输出端连接的乘方运算电路，对误差信号进行平方运算；两个输入端分别与乘方运算电路输出端和值为1的常数模块连接的加法器；输入端与差分放大器输出端连接，增益系数为2f_m的反相放大器；第一输入端与反相放大器输出端连接，第二输入端与加法器输出端连接的除法运算电路(其中除法运算电路输出端的值是以第一输入端为分子、第二输入端为分母的运算值)；以及输入端与除法运算电路输出端连接的积分器。通过四则运算以及积分运算跟踪负载变化。

作为一种优选的实施例，主控制电路包括：

用于根据所述电感电流及所述负载预测值对所述可控开关进行自适应控制，以使所述高增益变换器在负载未知或负载变化时仍能够使得输出电压等于所需要的的电压参考值的控制模块。

输入端与所述减法电路输出端连接，输出端与所述高增益变换器的可控开关的控制端连接的PWM模块。

具体地，控制模块包括：

具体地，PWM模块用于在接收到所述占空比信号时输出控制电平给所述可控开关的驱动电路以控制所述可控开关的通断，并在每个开关周期更新所输出的占空比控制电平。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种应用于高增益变换器的控制电路，当所述高增益变换器的负载状态未知或者发生变化时，能跟踪负载的变化，对其进行负载估计，并将估计值作为控制电路的输入基准值实现高增益变换器系统的稳定控制，其特征包括：

电流获取电路、电压获取电路、负载预测电路和主控制电路，其中：

所述电流获取电路，即模块1的输入端与所述高增益变换器中一个电感器串联，用于采集所述电感器的电流值，所述电感器的实际电流值/所述电流获取电路采集的电流值＝K_i，K_i为正实数；

所述电压获取电路，即模块2的输入端与负载并联，用于采集负载两端的电压值，所述负载两端的实际电压值/所述电压获取电路采集的电压值＝K_v，K_v为正实数；

所述负载预测电路，即模块3的输入端与所述电压获取电路输出端连接，用于在线预测所述高增益变换器输出端负载的阻抗值，将结果输出到主控制电路运算后作为电感电流的参考值；

所述主控制电路，即模块4的第一输入端与所述电流获取电路输出端连接、第二输入端与所述负载预测电路输出端连接，用于根据所述电流获取电路输出端采集的电流值及所述所述负载预测电路输出端的负载阻抗值的预测值，对所述高增益变换器的可控开关进行自适应控制，以使所述高增益变换器在负载未知或负载变化时仍能够使得输出电压等于所需要的参考电压。

2.权利要求1所述的高增益变换器的控制电路中，提及的负载预测电路，其特征在于，负载预测电路包括：

正相输入端与电压获取电路输出端连接，反相输入端与参考电压模块输出端连接的第一差分放大器，用于获得所述输出电压与所述参考电压的差值，并对该差值按一定比例进行放大，以根据电压误差值来得到控制电压，其中，比例放大系数为β；

输入端与比例放大器输出端连接的负载预测模块，用于根据所述控制电压进行数学运算，以对所述负载的阻抗值进行估计。

3.权利要求1所述的高增益变换器的控制电路中，提及的主控制电路，其特征在于：

正相输入端与所述负载预测电路输出端连接，反相输入端与参考零电位连接的比例放大器，用于对所述负载预测电路输出的负载的阻抗值的倒数进行运算后得到该负载的阻抗值下的理论电感电流参考值；

正相输入端与所述电流获取电路输出端连接，反相输入端与所述比例放大器输出端连接的第二差分放大器，用于对流过所述电感器的电流与所述电感电流参考值的差值按比例放大，其中，比例放大系数为K_p；

正相输入端与参考占空比模块连接，反相输入端与第二差分放大器输出端连接的减法电路，用于根据流过所述电感器电流与所述电感电流参考值的差值产生可控开关的占空比；

4.一种高增益变换器的控制方法，其特征在于，通过权利要求1-3任一项所述的高增益变换器的控制电路实现，其特征在于，包括：

对所述电压获取电路采集的负载电压值与所述参考电压的误差通过归一化自适应控制方法及积分运算得到所述高增益变换器输出负载的阻抗值的估计值；

将所述负载的阻抗值的估计值信号通过放大器比例放大，使其作为流过所述电感器电流的电感电流参考值；

对所述电流获取电路采集的电感电流与所述电感电流参考值的差值进行比例控制，使流过所述电感器的电流跟随所述电感电流参考值，同时使得输出端的负载电压等于所述参考电压。