CN113098258B - 一种基于pfc系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法，包括以下步骤：1)基于BOOST电路精确数学模型，构建稳态下PFC系统电流环输入电流的精确状态方程，并计算得到电流环平衡点；2)通过将电流环平衡点的占空比加入电流环控制器中设计电流环最少拍控制器；3)进行基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制。与现有技术相比，本发明具有系统输出完全跟踪参考量、没有波形畸变等优点。
Description
技术领域
本发明涉及PFC系统控制技术领域，尤其是涉及一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法。
背景技术
最少拍控制方法比较依赖系统模型的准确程度，如果模型不准确，控制系统会出现超调现象，在现有的功率因数校正(PFC)系统中，电流环采用最少拍控制方法时由于忽略电感的非线性特征、电感内阻、开关管和二极管导通损耗等因素导致建模不准确，会导致控制不精确，输入电流畸变率较高，因此需要一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法，包括以下步骤：
1)根据稳态下PFC系统电流环输入电流的状态方程计算得到电流环平衡点；
2)通过将电流环平衡点的占空比加入电流环控制器中设计电流环最少拍控制器；
3)进行基于PFC系统电流环平衡点的最少拍控制。
所述的步骤1)中，电流环输入电流的状态方程的表达式为：
其中，L为输入电感，iL为输入电感电流，V0为直流母线电压，Vgsinωt为市电电压，rL、rs、rd分别为电感内阻、开关管Q的导通电阻、二极管D正向导通时等效电阻，d为占空比。
基于电流环输入电流的状态方程，当
时，电流环处于平衡状态，则电流环平衡点记为(Vg,V0,iL0,D)，其中，iL0为输入电流初始值，即电流环平衡点的电流，D为满足平衡点条件的占空比。
所述的步骤2)中，当电流环控制器加入平衡点占空比
时，输入电流环状态方程变为一个时变的积分环节，则有：
其中，di为占空比控制量，其作用是根据输入电流参考量iref实时调整电流环平衡点电流iL0，使之跟踪输入市电电压波形。
设计得到的电流环最少拍控制器的表达式为：
其中，iref为输入电流参考量，其幅值为电压环控制器的输出，Ts为系统采样周期，k和k+1表示当前时刻和下一时刻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明基于PFC系统电流环平衡点设计的最少拍控制器使得系统输出完全跟踪参考量，在理想状态下输出电流波形与参考量完全一致，没有波形畸变，从电流环方程可以看出，系统模型参数中市电电压与直流母线电压均取实际测量值，影响模型准确性的参数是输入电感和切换控制误差，因此，通过实时调整等效电感值来进行补偿，从而满足系统稳定性要求。
附图说明
图1为现有的BOOST电路图。
图2为基于BOOST电路的PFC双环控制器架构图。
图3为本发明的PFC电流环最少拍控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，rL、rs、rd分别为电感内阻、开关管Q的导通电阻、二极管D正向导通时等效电阻，本发明中电感内阻rL、开关管Q的导通电阻rs、二极管D正向导通时等效电阻rd均能够通过简单测量或查看元器件规格书，将三个变量看作已知量。由于电感属于非线性器件，其感值会随着电流的变化而变化，所以本发明需要额外实时测量电感两端电压VL。根据电感公式：
写成离散形式：
可以得到：
Ts为开关周期。由于可能存在电流采样异常情况，需要对电感的计算值进行限幅。另外，当占空比D低于0.2时，电感电流iL(k+1)和iL(k)差值较小，则电感采用初始设定值。
当IGBT开通时有：
当IGBT关断时有：
结合开通关断得出系统空间状态方程：
对上式施加扰动：
可以得到稳态方程：
0＝Vs-V0(1-D)-rLiL-rsiLD-rdiL(1-D)
继而得到作为控制量的占空比D：
1、PFC电流环平衡点的计算：
基于BOOST电路的PFC双环控制器架构(PFC双环控制框图)如图2所示，在稳态下PFC系统控制输入电流跟踪市电电压波形，控制输出直流母线电压保持稳定，考察电流环输入电流的状态方程：
其中，L为输入电感，iL为输入电感电流，V0为直流母线电压，Vgsinωt为市电电压，从上式可以看到，当
时，电流环处于平衡状态，此时，输入电流变化量为零，电流保持初态iL0，满足平衡点条件的占空比
随输入电流的变化而变化，电流环平衡点可以写作(Vg,V0,iL0,D)，在电流环平衡点，系统模型为：
其中，di为占空比控制量，其作用是根据电流参考量iref实时调整电流环平衡点iL0，使之跟踪输入市电电压波形。
2、电流环最少拍控制器设计：
根据上述对电流环平衡点的分析，当电流环控制器加入平衡点占空比
前馈分量后，输入电流环动态方程变为一个时变的积分环节，那么可以得到：
其参数由直流母线电压实时值以及输入电感值决定，基于此方程，设计最少拍控制器为：
其中，iref为输入电流参考量，其幅值为电压环控制器输出；Ts为系统采样周期。
本发明的最少拍控制器使得系统输出完全跟踪参考量，理想状态下输出电流波形与参考量完全一致，没有波形畸变。从电流环方程可以看出，系统模型参数中市电电压与直流母线电压均取实际测量值，影响模型准确性的参数是输入电感和切换控制误差。因此，通过实时调整等效电感值来进行补偿，从而满足系统稳定性要求。
Claims (4)
1.一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于BOOST电路精确数学模型，构建稳态下PFC系统电流环输入电流的精确状态方程，并计算得到电流环平衡点，电流环输入电流的精确状态方程的表达式为：
其中，L为输入电感，iL为输入电感电流，V0为直流母线电压，Vgsinωt为市电电压，rL、rs、rd分别为电感内阻、开关管Q的导通电阻、二极管D正向导通时等效电阻，d为占空比；
2)通过将电流环平衡点的占空比加入电流环控制器中设计电流环最少拍控制器；
3)进行基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法，其特征在于，基于电流环输入电流的状态方程，当
时，电流环处于平衡状态，则电流环平衡点记为(Vg,V0,iL0,D)，其中，iL0为输入电流初始值，即电流环平衡点的电流，D为满足平衡点条件的占空比。
3.根据权利要求2所述的一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，当电流环控制器加入平衡点占空比
时，输入电流环状态方程变为一个时变的积分环节，则有：
其中，di为占空比控制量，其作用是根据输入电流参考量iref实时调整电流环平衡点电流iL0，使之跟踪输入市电电压波形。
4.根据权利要求3所述的一种基于PFC系统电流环平衡点的最少拍精确控制方法，其特征在于，设计得到的电流环最少拍控制器的表达式为：
其中，iref为输入电流参考量，其幅值为电压环控制器的输出，Ts为系统采样周期，k和k+1表示当前时刻和下一时刻。
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