CN113241936A - 一种dc/dc变换器的控制方法及控制器 - Google Patents

一种dc/dc变换器的控制方法及控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DC/DC变换器的控制方法与控制器。所公开的方案以输出纹波的幅值为反馈信号,纹波控制器对直流型误差进行调节,理论上可使系统做到无静态误差;同时在纹波控制器的直流输出上乘以母线纹波方向相反的交流量,再叠加到输出电压控制信号,以此抵消母线工频电压波动对DC/DC变换器输出的影响,从而获得较满意的输出纹波抑制效果。

Description

一种DC/DC变换器的控制方法及控制器
技术领域
本发明涉及电子电力变换器控制技术,具体涉及一种用于DC/DC变换器的控制方法及相关控制器,尤其是针对工频纹波的抑制。
背景技术
典型的两级式开关电源变换器,第一级为整流电路,这是一种AC/DC变换器,其功能是将交流电网电压整流为直流电压;第二级为DC/DC变换器,其电路拓扑类型包括
各种buck/boost、谐振变换器、移相全桥电路等。两级式变换器广泛应用于充电桩模块,测试电源和储能系统。本文以移相全桥变换器为例进行说明。
对于第一级的单相整流电路,其输出为中间直流母线电压Vb,由于瞬时功率随时间的变化,经变换器的整流滤波电路处理后输出的直流电压中通常含有交流低频纹波,其频率为输入的交流电源频率的二倍;对三相系统,如出现缺相运行或三相功率不平衡,也会在交流输出上叠加二倍交流电源频率的压波动,这种叠加在直流量上的交流分量就称之为工频纹波。
由于直流电压输出上叠加了工频纹波,在进行DC/DC变换时,工频纹波不可避免地被叠加到第二级变换器的输出电压上。因此,DC/DC变换器输出电压中的工频纹波是由输入的整流纹波经DC/DC变换器并传递到输出端的,这将严重降低变换器的输出电压质量。
有些现有技术中,用于变换器的抑制工频纹波的硬件方法主要是采取滤波法的方式:在电源输出端加入滤波电路以滤除输出电压中夹杂的工频纹波。或者增加直流环节的滤波电容,以平抑母线侧的电压波形。在具体设计时通过计算合理的滤电路参数,从而在一定程度上可以有效地抑制工频纹波的大小。受变换器体积、成本等因素的制约,滤波电路尺寸无法尽可能地做大,滤波电路电容容值不能无限制做高,因此无法尽量多地减小工频纹波。
还有些现有技术中,用于变换器的抑制工频纹波的硬软件方法主要在控制策略上,将纹波分离出来,单独进行调节,以针对性的提升纹波频率段的增益。如专利CN104079152B-用于LLC变换器的工频纹波抑制方法及其装置所提到的方法。以实时反馈信号进行控制,工频段增益仅能得到部分提升,输出纹波指标提升有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足,本发明提供了一种DC/DC变换器的控制方法。
为此,本发明所提供的控制方法包括纹波抑制控制环和电压控制环,所述电压控制环输出实时控制量,其特征在于,所述纹波抑制控制环包括设置值和纹波控制器,所述设置值为0;所述DC/DC变换器的控制方法还包括:
以DC/DC变换器实时输出电压Vout的工频电压纹波分量幅值Vamp为反馈信号,纹波控制器对实时控制误差进行调节,所述实时控制误差为纹波抑制控制环中的设置值0减去Vamp得到;并且在纹波控制器的输出上乘以实时母线纹波方向相反的交流量Vb_ac,再将乘积叠加到电压控制环的实时控制量上输出电压控制信号;所述Vb_ac=-(Vb-Vb_avg),Vb_avg为实时中间直流母线电压Vb的滑动平均值或周期平均值。
进一步,所述DC/DC变换器的控制方法包括:
(1)采集DC/DC变换器当前拍的中间直流母线电压Vb(n),并获取当前拍的母线交流纹波的反相值Vb_ac(n),Vb_ac(n)=-(Vb(n)-Vb_avg(n)),Vb_avg(n)为当前拍的中间母线电压Vb(n)的滑动平均值或周期平均值;
(2)采集DC/DC变换器当前拍的输出电压Vout(n),并获取Vout(n)的工频电压纹波分量幅值Vamp(n);
(3)纹波抑制控制环中的设置值0减去Vamp(n)得当前控制误差,该当前控制误差经纹波控制器调节得当前纹波抑制控制量;
(4)将电压控制环的当前拍控制量Vdc_reg(n)与Vac_reg(n)相加得到当前拍的原边功率管占空比控制量Vreg(n),Vac_reg(n)为当前母线纹波相位相反的控制量,Vac_reg(n)由Vb_ac(n)与步骤(3)所得当前纹波抑制控制量相乘所得;
(5)Vreg(n)经发波控制、功率放大后输出目标电压Vout
进一步,所述步骤(1)包括:
(1.1)采集DC/DC变换器当前拍的中间母线电压Vb(n),求取Vb(n)的滑动平均值或周期平均值Vb_ac(n);
(1.2)获取当前拍母线电压的交流纹波分量Vb_ripple(n),Vb_ripple(n)=Vb(n)-Vb_avg(n);
(1.3)对Vb_ripple(n)乘以-1,获取当前拍的母线交流纹波的反相值Vb_ac(n)。
进一步,所述步骤(4)包括:
(4.1)将Vb_ac(n)与当前纹波抑制控制量相乘得到当前母线纹波相位相反的控制量Vac_reg(n);
(4.2)将电压控制环控制量Vdc_reg(n)与Vac_reg(n)相加得到当前拍的原边功率管占空比控制量Vreg(n)。
同时,本发明提供了相应的DC/DC变换器的控制器。所提供的控制器包括纹波抑制控制器和电压控制器,所述纹波抑制控制器包括设置值和纹波控制器,所述设置值为0;所述DC/DC变换器的控制器用以实现上述控制方法。
本发明通过将交流信号转化为直流的方式,提高了二倍工频段的控制增益,从而达到了减小输出纹波有益效果。相对与现有技术,其电压纹波含量可降低30%以上。
并且针对现有硬件纹波抑制策略,需要增加成本的问题,本发明采用纯软件控制方法,无需任何额外硬件投入。
除此之外,针对现有的纹波控制策略,直接对交流信号进行控制,导致环路增益有限的问题,本发明通过将纹波交流信号转为直流信号,从而在PI控制器上获得较高的增益,提升输出纹波抑制的能力和输出电压质量。
附图说明
图1为本发明的DC/DC变换器控制方法原理框图;
图2为本发明的DC/DC变换器控制方法流程图;
图3为对比例的抑制工频纹波抑制效果;
图4为本发明的抑制工频纹波抑制效果。
具体实施方式
除非有特殊说明本文中的术语或方法根据相关领域普通技术人员的常规认识理解或采用已有的方法实现。
本发明的电压控制环或电压控制器为主控制,其可采用现有技术或依据本发明的构思所改进的方案,参考图1所示,本发明的电压控制环或电压控制器通过给定电压Vref和输出电压Vout之差进行调节,计算功率管的控制量信号输,即本发明的控制量Vdc_reg或Vdc_reg(n)。所述的给定电压Vref根据需求设定,比如通信电源的电压范围在42V-58V之间可自由设置。
本发明的纹波抑制控制环或纹波抑制控制器设置值给定为0;其反馈量为输出纹波的幅值Vamp,用于抑制输出电压上叠加的纹波电压;其中的纹波控制器的输出与母线交流纹波Vb_ripple相乘后取反,生成抑制交流纹波影响的控制信号。因为给定量和反馈量均为直流,因此纹波控制可获得较高的增益。
本发明控制过程中将纹波抑制控制量与母线电压纹波反相信号相乘,得到与母线纹波相位相反的控制量Vac_reg,用于补偿母线工频波动所导致的输出电压工频波动。
本发明所述工频电压纹波分量幅值、滑动平均值、周期平均值的计算均采用现有技术获得。其中工频电压纹波分量幅值至少可采取离散傅里叶变换公式、全通滤波器或FFT方法计算。
实施例:
参考图1和2,该实施例的DC/DC变换器的控制方法,在数字环路控制结构中,将电压控制环作为主控制,纹波抑制控制环作为补偿控制;其中:
电压控制器Gv为PI控制器,通过对给定电压Vref和实时输出电压Vout之差进行调节,计算功率管的控制量信号输出;
纹波抑制控制器Gc的设置值为0,其反馈为输出纹波的幅值Vamp,用于抑制输出电压上叠加的纹波电压;纹波控制器的输出,与母线交流纹波Vb_ripple相乘后取反,生成抑制交流纹波影响的控制信号;
电压控制器输出量Vdc_reg与纹波控制器输出Vac_reg进行叠加,最为功率变换器最终的控制量Vreg,用于DC/DC电路的发波控制。
H(s)为DC/DC变换器输出电压对输入控制量的传递函数,对本领域的技术人员而言,该传递函数可以通过理论计算、仿真或测试的方法得到其模型;该实施例为移相全桥,其模型可简化为一个惯性环节,传递函数为Vb/(0.5Tpwms+1),其中Tpwm为开关周期。
Avg(s)为滑窗平均值滤波器的传递函数,用于执行对输出电压进行平均值滤波,使得滤波后的输出电压成为直流量,不再含有工频交流成分;
DFT表示对输出电压进行离散傅里叶变换,从而得到输出电压工频纹波的幅值;
Gc(s)为纹波控制器传递函数,该实施例具体为PI控制器的传递函数;
Gv(s)为电压控制器传递函数,用于对给定电压和输出反馈电压的误差进行调节并得到控制量的输出,该实施例具体为PI控制器。
控制方法为:
(1)通过ADC电路,对实时输出电压Vout(n)、中间直流母线电压Vb(n)模拟量进行采样并转换为数字量;
(2)给定电压Vref与输出电压Vout做差,作为DC/DC变换器电压控制环Gv(s)的输入,再经PI控制器调节,计算功率电路的控制量,即电压控制环输出的实时控制量;
(3)对采样到的中间直流母线电压Vb(n),该实施例采用滑窗平均滤波算法Avg(s)求取滑动平均值Vb_avg(n),其离散计算表达式为:
Vb_avg(n)=Vb_avg(n-1)+[Vb(n)-Vb(n-N)]/N
式中,Vb(n)表示当前拍n的中间直流母线电压采样值;
Vb(n-N)表示当前拍N拍之前拍的母线电压采样值;
Vb_avg(n)表示当前输出电压平均值;
Vb_avg(n-1)表示上一拍输出电压平均值;
N表示一个当前纹波周期内的ADC采样次数;至少为2次,原则上讲,软硬件性能允许的情况下,应保证足够多的采样次数;
(4)将滑动平均值Vb_avg(n)与输母线电压采样值Vb(n)进行减法运算,获得当前拍母线电压的交流纹波分量Vb_ripple(n);
(5)对b步骤获得的交流纹波分量乘以-1,获取当前拍的母线交流纹波的反相值Vb_ac(n);
(6)DC/DC变换器当前拍的输出电压Vout(n),并获取Vout(n)的工频电压纹波分量幅值Vamp(n):
Figure BDA0003039586960000071
Figure BDA0003039586960000072
(7)纹波抑制控制环给定设置为0,0减去反馈量(步骤d所计算得出的工频电压纹波分量幅值Vamp(n))得到控制误差,所得控制误差通过纹波控制器Gc(s)进行调节得到纹波抑制控制量;
(8)将步骤(7)所计算的纹波抑制控制量与步骤(5)的母线电压纹波反相信号Vb_ac(n)相乘,得到当前母线纹波相位相反的控制量Vac_reg(n),用于补偿母线工频波动所导致的输出电压工频波动;
(8)将电压控制环的当前拍控制量Vdc_reg(n)与Vac_reg(n)相加得到当前拍的原边功率管占空比控制量Vreg(n);
(9)对计算出的占空比控制量进行上下限幅处理,将限幅处理后的占空比赋值给相应的PWM寄存器经发波控制,以产生相应PWM控制波形,经过主电路进行功率放大后得输出目标电压Vout
以输出纹波的幅值为反馈信号,纹波控制器直接对直流型误差进行调节,获得较高的控制增益。将纹波控制器的直流输出乘以母线纹波方向相反的交流量,再叠加到输出电压控制信号,以此抵消母线工频电压波动对DC/DC变换器输出的影响,从而获得较满意的输出纹波抑制效果。
对比例:
该对比例与上述实施例不同的是在电压控制环中,加入PR(比例-谐振)控制器抑制工频纹波。
对实施例和对比例的工频纹波抑制效果进行验证:
在同一测试电源模块上,分别采用加入PR控制器的抑制工频纹波抑制策略,和本发明所所述的纹波抑制策略进行对比。结果显示:基于PR控制器的抑制工频纹波抑制策略,其纹波幅值为112mV,如图3所示;基于本发明所所述的纹波抑制策略进行对比,其纹波幅值为70mV左右,如图4所示,图中a、b分别表示纵轴(电压)的两条光标数据,□、○分别表示横轴(时间)的两条光标数据,△表示光标之间的数值差。

Claims (5)

1.一种DC/DC变换器的控制方法,包括纹波抑制控制环和电压控制环,所述电压控制环输出实时控制量,其特征在于,所述纹波抑制控制环包括设置值和纹波控制器,所述设置值为0;所述DC/DC变换器的控制方法还包括:
以DC/DC变换器实时输出电压Vout的工频电压纹波分量幅值Vamp为反馈信号,纹波控制器对实时控制误差进行调节,所述实时控制误差为纹波抑制控制环中的设置值0减去Vamp得到;并且在纹波控制器的输出上乘以实时母线纹波方向相反的交流量Vb_ac,再将乘积叠加到电压控制环的实时控制量上输出电压控制信号;所述Vb_ac=-(Vb-Vb_avg),Vb_avg为实时中间直流母线电压Vb的滑动平均值或周期平均值。
2.如权利要求1所述的DC/DC变换器的控制方法,其特征在于,所述DC/DC变换器的控制方法包括:
(1)采集DC/DC变换器当前拍的中间直流母线电压Vb(n),并获取当前拍的母线交流纹波的反相值Vb_ac(n),Vb_ac(n)=-(Vb(n)-Vb_avg(n)),Vb_avg(n)为当前拍的中间母线电压Vb(n)的滑动平均值或周期平均值;
(2)采集DC/DC变换器当前拍的输出电压Vout(n),并获取Vout(n)的工频电压纹波分量幅值Vamp(n);
(3)纹波抑制控制环中的设置值0减去Vamp(n)得当前控制误差,该当前控制误差经纹波控制器调节得当前纹波抑制控制量;
(4)将电压控制环的当前拍控制量Vdc_reg(n)与Vac_reg(n)相加得到当前拍的原边功率管占空比控制量Vreg(n),Vac_reg(n)为当前母线纹波相位相反的控制量,Vac_reg(n)由Vb_ac(n)与步骤(3)所得当前纹波抑制控制量相乘所得;
(5)Vreg(n)经发波控制、功率放大后输出目标电压Vout
3.如权利要求1所述的DC/DC变换器控制方法,其特征在于,所述步骤(1)包括:
(1.1)采集DC/DC变换器当前拍的中间母线电压Vb(n),求取Vb(n)的滑动平均值或周期平均值Vb_ac(n);
(1.2)获取当前拍母线电压的交流纹波分量Vb_ripple(n),Vb_ripple(n)=Vb(n)-Vb_avg(n);
(1.3)对Vb_ripple(n)乘以-1,获取当前拍的母线交流纹波的反相值Vb_ac(n)。
4.如权利要求1所述的DC/DC变换器控制方法,其特征在于,所述步骤(4)包括:
(4.1)将Vb_ac(n)与当前纹波抑制控制量相乘得到当前母线纹波相位相反的控制量Vac_reg(n);
(4.2)将电压控制环控制量Vd c_reg(n)与Vac_reg(n)相加得到当前拍的原边功率管占空比控制量Vreg(n)。
5.一种DC/DC变换器的控制器,包括纹波抑制控制器和电压控制器,其特征在于,所述纹波抑制控制器包括设置值和纹波控制器,所述设置值为0;所述DC/DC变换器的控制器用以实现权利要求1-4任一权利要求所述的的控制方法。
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