CN115333369A - 转换器控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种转换器控制装置及控制方法，该转换器控制装置为具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制装置。该装置包括：第一控制器，基于作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；第二控制器，基于第二输出变量的预定参考值和在转换器的负载处测量的第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比；占空比确定单元基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比。

Description

转换器控制装置及控制方法
技术领域
本公开涉及一种转换器控制装置及控制方法，更具体地，涉及一种通过开关元件的占空比来调节的转换器控制装置及控制方法，其可以通过从并联连接的控制回路导出的有限占空比值来限制输出而提供宽的控制频带上移范围，并针对负载快速变化的干扰进行补偿，从而确保稳定的控制性能。
背景技术
当构成升压(Boost)或降压(Buck)转换器的硬件引起固定频率的谐振时，转换器控制器控制转换器使得谐振衰减以消除谐振的影响。然而，如果转换器的硬件谐振频率和控制频带彼此接近，则通过转换器控制器来解决问题的方法具有局限性。为了解决这个问题，可以设想通过重新设计硬件来改变具有谐振的硬件的固有特性(改变谐振频率)或应用具有基本结构改变的新配置的控制器的方法。
通常，级联(Cascade)控制被广泛使用，因为它对干扰的响应速度快且稳定。然而，在这种控制中，内回路(Inner loop)需要比外回路(Outer loop)具有更快的响应，以防止两个或更多个反馈回路(loop)之间的干扰。因此，当具有硬件引起谐振的设备特性限制内回路的控制频带的上移时，外回路的频带的上移自然受到限制。这种情况下，传统控制难以实现快速响应。因此，在转换器控制领域中需要一种通过防止瞬态响应性能的恶化和降低产生过电压/过电流的可能性来稳定系统的控制方法。
将理解的是，上述相关技术中所描述的内容仅是为了促进对本公开背景技术的理解，不应将其视为本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
因此，鉴于以上问题公开了本发明，并且本发明的目的是提供一种具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制装置及控制方法，其可以通过从并联连接的控制回路导出的有限占空比值来限制输出而提供宽的控制频带上移范围，并针对快速变化负载的干扰进行补偿，从而确保稳定的控制性能。
根据本公开，上述和其它目的可以通过提供一种具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制装置来实现，该装置包括：第一控制器，基于作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；第二控制器，基于第二输出变量的预定参考值和在转换器的负载处测量的第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比；以及占空比确定单元，基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比。
占空比确定单元可以被配置为导出第一占空比和第二占空比中的较小值作为最终占空比。占空比确定单元可以被配置为导出第一占空比和第二占空比之间的代表值作为最终占空比。第一输出变量可以是输出电流，第二输出变量可以是输出电压。
限制参考值可以随着在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值或第二输出变量的测量值或转换器的温度的增加而减小。限制参考值可以随着电池的放电量的增加而减小。第一控制器可以包括关于第二输出变量和效率之间的关系的效率数据，并且限制参考值可以是根据最大效率点与第二输出变量匹配的第一输出变量。
根据本公开的另一方面，一种具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制方法可以包括：通过第一控制器，基于作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；通过第二控制器，基于第二输出变量的预定参考值和在转换器的负载处测量的第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比；以及通过占空比确定单元，基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比。
导出开关元件的最终占空比可以包括导出第一占空比和第二占空比中的较小值作为最终占空比。在生成第一占空比中第一输出变量可以是输出电流，在生成第二占空比中第二输出变量可以是输出电压。
在生成第一占空比中，限制参考值可以随着电池的放电量的增加而减小。在生成第一占空比中，限制参考值可以随着在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值或第二输出变量的测量值或转换器的温度的增加而减小。
在生成第一占空比中，可以提供关于第二输出变量和效率之间的关系的效率数据，并且限制参考值可以是根据最大效率点与第二输出变量匹配的第一输出变量。
附图说明
根据以下详细描述并结合附图，将更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是用于限制输出的常规转换器控制装置的框图；
图2和图3是根据本公开实施例的转换器控制装置的配置图；
图4是示出根据本公开实施例的转换器控制装置的应用结果随时间变化的曲线图；
图5是示出常规转换器控制装置和根据本公开实施例的转换器控制装置对干扰的补偿控制的曲线图；以及
图6是示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图。
具体实施方式
理解的是，如本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、巴士、卡车、各种商用车的乘用车，包括各种轮船和船舰的水运工具，航空器等，并包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其它替代燃料(例如，除石油以外的资源衍生的燃料)车辆。
尽管示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但理解的是，示例性过程也可以通过一个或多个模块执行。另外，可以理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器并被具体编程以执行本文描述的过程的硬件装置。存储器被配置为存储模块，处理器具体被配置为执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。
此外，本公开的控制逻辑可以被实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非临时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可以分布在联网计算机系统中，从而可以通过例如远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布式方式存储和执行计算机可读介质。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，而不用于限制本公开。除非上下文另有明确说明，否则如本文使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、数量、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。如本文使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何一个和所有组合。
除非特别说明或从上下文可以明显看出，否则如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的标准公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差之内。“约”可以理解为规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
在本说明书或申请中公开的本公开实施例的具体结构和功能描述是为了描述本公开实施例，并且本公开实施例可以以各种形式实施并且不应被解释为限于本说明书和申请中描述的实施例。在下文中，将参照附图详细描述本公开实施例。
图1是用于限制输出的常规转换器控制装置的框图，图2和图3是根据本公开实施例的转换器控制装置的配置图，图4是示出根据本公开实施例的转换器控制装置的应用结果随时间变化的曲线图，图5是示出常规转换器控制装置和根据本公开实施例的转换器控制装置对干扰的补偿控制的曲线图，以及图6是示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图。
图1是用于限制输出的常规转换器控制装置的框图。转换器控制装置通常是控制多层回路的(级联控制(Cascade Control))系统。特别地，由于转换器通常具有比电池电压的充电/放电响应更快的电感器电流响应，因此内(副)回路可以包括电流控制器并且外(主)回路可以包括电压控制器。内回路的电流控制器接收电流参考值IO_REF与电感器电流IL之间的误差，并基于该误差输出占空比d。占空比d是通过将开关周期T内开关关断区间Toff以外的开关导通区间Ton除以开关周期T得到的值Ton/T。此后，电流控制器的结果值的占空比通过内回路的传递函数
Figure BDA0003350677210000051
转换器传递函数(输出电压比占空比))和外回路的传递函数
Figure BDA0003350677210000052
转换器传递函数(电感器输出电流比占空比))传递并作为内回路的电感器输出电流IL和外回路的输出电压VO或输出电流IO再次输入到每个内回路和外回路。
另外，图1中外回路的电压控制器接收电压参考值VO_REF和输出电压VO之间的误差并基于该误差输出电流参考值IO_REF。具体地，电压参考值VO_REF可以被限制，即通过输出电流限制控制器接收具有负值的输出电压限制参考值VO_RMT_REF来减小。输出电压限制参考值基于输出电流IO和输出电流限制参考值IO_RMT_REF之间的误差输出。
以这种方式，图1的级联控制通过两个控制对干扰做出快速响应，因此可以将快速干扰控制在一个稳定的范围内。此外，通过防止副控制量的变化(干扰)影响主控制量，级联控制可以将大范围的干扰控制在稳定范围内从而实现干扰高稳定性。然而，在级联控制中，内回路的输出值是由外回路的输入值控制，因此具有依赖性。因此，当在级联控制中依赖控制的外回路的控制频带和执行控制的内回路的谐振频率彼此接近时，由于它们之间的谐振而发生相互干扰。为了防止这种情况发生，内回路需要具有至少五到十倍于外回路的快速响应。然而，当图1的级联控制的内回路的控制频带将要上移时，由于内回路响应的依赖性而受到限制。因此，也难以上移外回路的控制频带。
因此，本公开实施例是用于解决这种问题的控制器配置。换言之，本公开实施例通过第一控制器C1和第二控制器C2的输出值来控制转换器以摆脱级联的依赖性。因此，通过本公开实施例的转换器控制装置能够设计适合控制目的的响应速度，并因此提高频带设计的自由度。
图2和图3是示出根据本公开实施例的转换器控制装置的配置图。图2和图3的根据本公开的转换器控制装置是具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制装置，该装置包括：第一控制器，被配置为基于作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；第二控制器，被配置为基于第二输出变量的预定参考值和在转换器的负载处测量的第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比；以及占空比确定单元，被配置为基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比。
图2的下半部分的电路图是降压(Buck)转换器的电路图，其示出了具有占空比d的开关元件(例如，MOSFET)、二极管、电感器和导体的连接。特别地，根据本公开实施例的转换器控制装置L接收包括在负载RO处测量的输出电流IO或输出电压VO的第一输出变量和第二输出变量。第一控制器C1可以被配置为基于预定限制参考值和第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比。第二控制器C2可以被配置为基于第二输出变量的预定参考值和第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比。特别地，第一占空比或第二占空比是将第一输出变量或第二输出变量的开关周期T内开关关断区间Toff以外的开关导通区间Ton除以开关周期T得到的值Ton/T。另外，占空比确定单元D可以被配置为基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比d_final。该最终占空比d_final是第一输出变量和/或第二输出变量的最终占空比，并且在输入通过传递函数
Figure BDA0003350677210000071
和
Figure BDA0003350677210000072
传递的第一输出变量/第二输出变量时最终控制转换器的输出。此外，第一控制器C1和第二控制器C2可以被配置为重复执行上述控制。
图3是示出根据本公开实施例的转换器控制装置的配置图。特别地，图3所示的实施例是输出电流和输出电压作为第一输出变量和第二输出变量的转换器控制装置。在图3中，对应于本实施例的第一控制器C1、第二控制器C2和占空比确定单元D的块由虚线划分。第一控制器C1可以被配置为基于由最终占空比d_final控制的电感器输出电流IL与第一输出变量的限制参考值I0_LMT_REF之间的误差生成作为第一占空比的输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT。第二控制器C2可以被配置为基于由最终占空比d_final控制的输出电压VO与电压参考值VO_REF之间的误差生成作为第二占空比的输出电压控制器输出占空比d_vc。占空比确定单元D可以被配置为基于第一占空比和第二占空比导出作为最小值的开关元件的最终占空比d_final。最终占空比d_final通过第一占空比(或第二占空比)的传递函数
Figure BDA0003350677210000081
或
Figure BDA0003350677210000082
反馈至作为第一输出变量的输出电流的电感器电流IL或作为第二输出变量的输出电压VO。
如上所述，在根据本公开实施例的转换器控制装置中，可以基于第一输出变量/第二输出变量和(限制)参考值之间的误差独立地导出第一占空比/第二占空比。因此，与图1的转换器控制装置不同，外回路和内回路之间不存在关于控制响应的依赖性。因此，即使当谐振频率和控制频带彼此接近时，图2所示的实施例的转换器控制装置也可以自由地上移控制频带以避免相互干扰。因此，本实施例提高了瞬态响应性能并预先防止了负载的突然变化或过电流的产生以提高系统稳定性。
另外，根据本公开实施例的转换器控制装置可以减少控制的运算量和运算时间以提高运算速度。传统的级联控制需要通过输出限流控制器、电压控制器和电流控制器的至少三个步骤来导出最终占空比d_final。此外，由于依赖性，传统的级联控制包括用于等待三个步骤的输出值的三个待机时间。与之相比，在本实施例中，可以通过基于第一占空比/第二占空比导出的最终占空比来控制第一输出变量和/或第二输出变量。换言之，在本实施例中仅重复执行两个运算步骤。另外，由于独立性，本实施例不需要用于等待两个步骤的输出值的两个待机时间。因此，本实施例减少了控制的运算量和待机时间以提高运算速度。这降低了执行最终控制的微控制器的负载率。
尽管在图2中降压转换器被示为转换器，但作为用于转换电力的装置的转换器可以根据转换前后的电力类型包括AC-DC转换器、DC-DC转换器、DC-AC转换器和AC-AC转换器。此外，转换器可以包括升压(Boost)转换器、降压-升压(Buck-Boost)转换器、全桥(Full-bridge)转换器、半桥(Half-bridge)转换器、推挽(Push-pull)转换器、升压半桥转换器或其组合以作为电力转换装置。另外，基于第一误差和第二误差生成第一占空比和第二占空比的第一控制器C1和第二控制器C2可以被配置为执行基本控制，例如PD控制和PID控制、作为在前馈路径和反馈路径上设置不同控制器的二自由度控制(two-degree-of-freedomcontrol)的PI-D控制和PI-PD控制、滞后(lag)补偿控制、超前滞后(lead-lag)补偿控制以及它们的串联补偿(series compensation)或并联补偿(parallel compensation)。因此，可以根据控制目标的特性、稳定性、运算量和运算速度在从中选择的控制方案中设计第一控制器和第二控制器。
此外，作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值的数量和第二输出变量的预定参考值的数量可以是一个或多个。当存在多个限制参考值和参考值时，在参考值之间切换的标准可以取决于根据转换器的使用而累积并增加或减少的参数，例如特定时间的转换器(时间平均)输出值。参数可以包括转换器的(时间平均)输出、转换器输入电压VI、转换器输出电压VO、根据转换器输出的温度变化、以及匹配转换器的最大效率点的输入/输出电压VI。换言之，当转换器的平均输出增加到超过诸如第一输出、第二输出和第三输出的参考值时，可以通过引入较低的限制参考值或参考值的方法来限制转换器的输出。
特别地，第一输出变量和第二输出变量是指随着转换器的输出增加而增加的变量。第一输出变量/第二输出变量可以是输出值、例如电感器电流IL的输出电流IO以及输出电压VO中的一个。此外，第一输出变量/第二输出变量可以是上述三个变量组合导出的值或加权值。可以基于根据输出电压VO和输出电流IO的效率或作为相位差的余弦值的功率因数(Power Factor)来计算加权值。另外，第一输出变量/第二输出变量可以是随着转换器的输出增加而增加的转换器的温度变化或者与转换器并联连接的电池的放电量。最终占空比d_final是开关导通区间Ton除以开关周期T得到的值，并可以通过调节开关导通区间Ton或开关周期T得到。在前一种情况下，在该实施例中开关信号的宽度被调节并且开关频率恒定，因此可以预测开关噪声并且便于滤波处理。在后一种情况下，在该实施例中开关信号的频率被调制并且可以在转换器的负载量较小时降低开关损耗。
根据本公开实施例的转换器控制装置的占空比确定单元D可以被配置为导出第一占空比和第二占空比中的较小值作为最终占空比d_final。图4是示出根据本公开实施例的转换器控制装置的应用结果随时间变化的曲线图，图5是示出常规转换器控制装置和根据本公开实施例的转换器控制装置对干扰的补偿控制的曲线图。作为另一实施例，占空比确定单元可以被配置为导出第一占空比和第二占空比之间的代表值作为最终占空比。换言之，本实施例可通过选择第一占空比或第二占空比或组合第一占空比和第二占空比来导出最优最终占空比。
图4是示出根据本公开实施例的转换器控制装置的应用结果随时间变化的曲线图。特别地，图4是示出通过将控制器实现为利用并执行C代码而测试的转换器输出的相关性的曲线图。在图4中，第一输出变量被设置为输出电流IO，第二输出变量被设置为输出电压VO。另外，第一阶段中的输出电压控制器输出占空比d_vc和低于输出电压控制器输出占空比d_vc并分阶段减小的第三阶段中的输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT被设置为图4的实施例中的占空比。占空比确定单元D可以被配置为导出第一占空比和第二占空比中的最小值作为最终占空比d_final。
因此，在输出电压控制器执行图4中的控制的第一时间段中，对应于第二输出变量的输出电压可以通过作为两个占空比中的最小值的输出电压控制器输出占空比d_vc来控制。在第二至第四时间段中，对应于第一输出变量的输出电流可以通过作为两个占空比中的最小值的输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT来控制。此后，根据预设的输出限制条件，控制进入输出电流限制模式1、2和3之一。特别地，在图4中，根据施加到转换器的输出端的输出量累积的参数被设置为输出限制条件，并且每当该参数变为特定值以上时，输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT分阶段减小。
因此，在图4中，转换器输出可以通过根据特定时间的转换器输出量减小的输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT来控制，特定时间的转换器输出量作为输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT和输出电压控制器输出占空比d_vc中的最小值。因此，根据输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT控制的输出电流IO在进入输出电流限制模式1、2和3时根据特定输出量分阶段减小。
另外，除了负载RO外，电池可以并联连接到图4中的转换器的输出端。因此，当转换器控制装置L进入输出电流限制模式1、2和3之一时，转换器控制装置L可以输出对应于所需负载的特定百分比的输出电流并且电池可以输出对应于剩余百分比的输出电流。例如，在输出电流限制模式1下限制对应于系统所需负载的约80％的电流时，电池输出对应于约20％的电流。因此，在图4中的输出电流限制模式1、2和3中，由于电池处于放电状态，因此转换器输出端的输出电压VO下降。
根据本公开实施例的转换器控制装置的占空比确定单元D可以被配置为导出第一占空比和第二占空比中的较小值作为最终占空比d_final。图5是示出常规转换器控制装置和根据本公开实施例的转换器控制装置对干扰的补偿控制的曲线图。图5示出与常规转换器控制装置比较，在相同输入电压VI下增加相同的输出值时，响应于负载输出电流的干扰，即输出电流IO急剧增加，将输出电压VO控制在稳定范围内。在图5中的左侧为常规转换器控制装置，右侧为根据本公开实施例的转换器控制装置。在图5中左侧为2V/分度，右侧为1V/分度，两侧的曲线图均示出在增加相同输出值的状态下，在多快的时间内具有稳定的波动量的输出电压。如图5所示，可以确认，与左侧的常规转换器控制装置不同，在根据本公开实施例的转换器控制装置中可以实现稳定的补偿控制(在1.5V内)。
如上所述，根据本公开实施例的转换器控制装置的占空比确定单元D可以被配置为导出第一占空比和第二占空比中的最小值作为最终占空比d_final，使得可以仅当需要限制输出时执行输出限制模式。另外，当需要限制输出时，本实施例可以通过设置多个预定的较低的输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT来分阶段加强输出限制程度。另一方面，当不需要限制输出时，本实施例可以通过如图4所示设置单个预定的较高的输出电压控制器输出占空比d_vc或与图4不同地设置多个预定的较高的输出电压控制器输出占空比d_vc，来降低输出限制程度。因此，根据本公开实施例的转换器控制装置可以灵活地设计输出限制程度并且通过导出最小值而选择性地仅限制期望的输出变量(第一输出变量或第二输出变量)。因此，本实施例可以减少控制的运算量并且稳定且快速地控制转换器。
作为本公开的另一实施例，占空比确定单元D可以被配置为导出第一占空比和第二占空比之间的代表值作为最终占空比d_final。特别地，代表值是代表某个数据集的值。在第一控制器C1和第二控制器C2的并联关系中，每个控制器的内回路数量可以是一个或多个。因此，第一占空比和第二占空比中的每一个的数量可以是一个或多个。因此，在上述实施例中选择第一占空比和第二占空比中的最小值作为最终占空比d_final可以导致将第一控制器C1的所有回路或第二控制器C2的所有回路限制为最小占空比并只选择一个回路。这不是优选的，因为在通过多个回路导出多个第一占空比和第二占空比的控制系统中，不能导出最佳控制值并且不能选择多个回路。因此，根据本公开的另一个实施例的转换器控制装置导出代表占空比的集的代表值作为最终占空比，并可以提供针对通过多个控制变量导出并反馈多个输出值的多系统优化的控制系统。
特别地，代表值可以是平均值、中位数、众数和百分位数之一。平均值可以是幂均值(power mean)
Figure BDA0003350677210000131
将所有n个变量按照数据形式相加并将结果除以数量得到的算术均值(k＝1)、作为n个变量的乘积的n的平方根的几何均值(k＝0)或作为n个变量倒数的算术平均值的倒数的调和平均值(k＝-1)。算术平均值可以是总体平均值(population mean)、作为样本数据平均值的样本平均值(sample mean)或通过将单个值乘以权重计算的加权平均值(weighted mean)。
中位数(median)是位于按大小排列的变量的中间的值，众数(mode)是频率最高的值，百分位数(percentile)是按大小排列的变量中以百分比表示特定位置的值。例如，100个第一占空比和第二占空比中的20百分位数是100个值中第20小的值。此外，当n个变量中包括0时，可以计算除0之外的包括几何平均值的平均值。包括算术平均值的平均值可以排除n个变量中的异常值。特别地，异常值可以是最高点、最低点或在两个极端值的特定范围(例如，10％)内的值。
根据本公开实施例的控制装置导出的作为最终占空比的算术平均值可以表示占空比的趋势，作为最终占空比的几何平均值可以表示时间上连续的占空比的平均值，并且作为最终占空比的调和平均值可以代表连续比率中相同比例的样本(例如，多个转换器中的平均占空比)。
图2和图3示出根据本公开实施例的转换器控制装置的配置，第一输出变量可以是输出电流，而第二输出变量可以是输出电压。换言之，本实施例基于转换器的输出电流限制控制器输出占空比d_cur_LMT和输出电压控制器输出占空比d_vc来导出最终占空比d_final。
转换器可以被配置为针对输入电压转换输出电压类型或者增加或减小输出电压的电平，并且输出电压可以基于将由转换器操作的装置而被固定。因此，为了限制转换器的输出，优选的是转换器控制装置限制转换器的输出电流。因此，根据本公开实施例的转换器控制装置可以被配置为使得通过限制参考值执行控制的第一控制器C1限制输出电流，从而稳定地供应将由转换器操作的装置并应对快速变化的负载的电力。因此，本公开实施例可以在防止装置的耐久性劣化和性能劣化的同时稳定地打开/关闭装置。
图2和图3示出根据本公开实施例的转换器控制装置的配置，限制参考值可以随着在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值或第二输出变量的测量值或转换器的温度的增加而减小。此外，限制参考值可以随着电池放电量的增加而减小。换言之，可以根据与转换器负载相关的参数进一步限制本公开实施例的限制参考值。
限制参考值是第一控制器C1基于第一误差生成第一占空比的过程中的参考值。这是用于应对转换器的快速变化的负载的输出限制值。特别地，还可以通过转换器的第一输出变量和第二输出变量的测量值，或者随着第一输出变量和/或第二输出变量的增加而增加的转换器的温度或热量来应对转换器的负载。因此，根据本公开实施例的转换器控制装置可以随着响应于特定时间的转换器负载而生成的第一输出变量的测量值或第二输出变量的测量值的增加而减小限制参考值，从而可以根据负载程度提高输出限制阶段。
另外，当电池与转换器并联连接从而转换器与电池一起应对负载的输出时，电池应对转换器的一部分负载。此外，转换器的一部分输出可用于对电池充电。因此，负载的程度可以由电池的放电量判断。特别地，一部分负载可以由电池驱动以提高用于驱动连接到电池的移动体或装置的燃料电池、诸如内燃机的能量发生器或驱动装置的燃料效率或防止耐久性劣化。特别地，电池需要具有最小的充电量来应对负载。然后，需要进一步限制用于为电池充电的转换器的输出。因此，根据本公开实施例的转换器控制装置可以在随着电池的放电量增加而减小限制参考值使得电池和转换器一起产生输出的系统中根据负载程度提高输出限制阶段。
图2和图3示出根据本公开实施例的转换器控制装置的配置，第一控制器C1可以包括关于第二输出变量和效率之间的关系的效率数据，并且限制参考值可以是根据最大效率点与第二输出变量匹配的第一输出变量。换言之，当转换器控制装置进入输出限制模式时，转换器控制装置可以控制转换器使得转换器输出接近最大效率点处的输出。
转换器的输出通常可以基于车辆的所需负载(负载跟随)来操作。然而，在输出限制的情况下，即当第一控制器C1的第一输出变量根据开关元件的最终占空比d_final限制为预设值时，转换器可以被配置为任意调节第二输出变量以使输出效率最大化。特别地，当第一输出变量是输出电流并且第二输出变量是输出电压时，转换器控制装置可以在输出电流-输出电压曲线图中输出电流与输出电压的乘积与输入电压之间的关系中包括与效率相关的效率数据。特别地，根据最大效率点与输出电压匹配的输出电流可以被设置为限制参考值。因此，本公开实施例增加了转换器在输出限制状态下的高效率操作区间。根据本公开实施例的转换器控制装置的恒流控制可以稳定从转换器输入电力的装置和系统，加强对变流器的保护，并使相应系统高效运行。
特别地，效率是输出功率与输入功率的比率。效率根据与基于转换器驱动的每个装置的特性的输出电压对应的输出电流而变化。因此，当转换器与电池一起提供系统所需的输出时，如果电池的输出和充电量不足或充足，则转换器可以操作使得输出达到最大效率点。另外，包括AC配电的功率转换可以包括将功率因数作为效率。功率因数是负载所使用的有功功率与作为AC传输功率的视在功率之比。根据容性负载或感性负载的相位偏差导致产生包括高频或低频分量的大瞬态电流，并且当保持具有相同峰值的输出电流时，需要更高的输入功率。因此，具有低功率因数的电力转换器具有低效率。因此，效率包括定量的能量效率和定性的能量功率因数。这可能伴随着功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)装置的控制。
图6是示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图。根据本公开的具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制方法可以包括：步骤S100，第一控制器基于作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；步骤S200，第二控制器基于第二输出变量的预定参考值和在转换器的负载处测量的第二输出变量的测量值之间的误差生成第二占空比；以及步骤S300，占空比确定单元基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比。
在图6所示的根据本公开实施例的转换器控制方法中，第一控制器可以被配置为基于作为限制第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比(S100)。特别地，限制参考值的数量可以是一个或多个。此外，被配置为生成第一占空比的第一控制器可以被配置为执行诸如P控制、PI控制、PD控制、PID控制、超前补偿、滞后补偿和超前滞后补偿的基本控制、二度自由度控制及其串联补偿或并联补偿的中的任意一个。
作为下一步骤，第二控制器可以被配置为基于第二输出变量的预定参考值和在转换器的负载处测量的第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比(S200)。如上所述，参考值的数量可以是一个或多个。当提供多个参考值时，其标准可取决于前述参数，并且第二控制器可以被配置为执行前述控制方案中的任意一个。
作为下一步骤，占空比确定单元可以被配置为基于第一占空比和第二占空比导出开关元件的最终占空比(S300)。特别地，最终占空比d_final是开关导通区间Ton除以开关周期T得到的值，并且可以通过调节开关导通区间Ton或开关周期T得到。然后，可以根据最终占空比控制第一输出变量或者第二输出变量(S400)。或者，可以根据最终占空比控制第一输出变量和第二输出变量。最后，可以检查转换器的操作是否结束和转换器的控制是否完成(S500)。
图6所示的根据本公开实施例的转换器控制方法基于限制参考值的第一误差生成第一占空比，然后基于参考值的第二误差生成第二占空比。因此，本公开实施例根据算法序列的一致性来提高运算速度。另外，根据本公开实施例的转换器控制方法可以通过第一控制器中的第一占空比和第二控制器中的第二占空比的输出值来控制转换器来摆脱常规级联控制的依赖性。因此，当谐振频率和控制频带彼此接近时，可以根据图6所示的转换器控制方法自由地上移控制频带以避免相互干扰。因此，根据本公开实施例的转换器控制方法提高了瞬态响应性能，并预先防止了负载的突然变化或过电流的产生，以提高系统稳定性。
图6示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图，在导出开关元件的最终占空比的步骤S300中，可以导出第一占空比和第二占空比中的较小值作为最终占空比。换言之，在根据本公开实施例的转换器控制方法中，第一控制器可以利用限制参考值灵活地设计输出限制程度并且通过导出最小值而选择性地仅限制期望的输出变量(例如，第一输出变量或第二个输出变量)。因此，根据本公开实施例的转换器控制方法可以通过在第一占空比和第二占空比中选择较小值来减少控制的运算量和运算时间以提高运算速度。这降低了执行最终控制的微控制器的负载率。
图6示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图，在生成第一占空比的步骤S100中第一输出变量可以是输出电流，在生成第二占空比的步骤S200中第二输出变量可以是输出电压。换言之，根据本公开实施例的转换器控制方法可以使第一控制器限制输出电流，从而稳定地供应将由转换器操作的装置的输出电压并应对快速变化的负载。因此，根据本公开实施例的转换器控制方法可以在防止装置的耐久性劣化和性能劣化的同时稳定地打开/关闭装置。
图6示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图，在生成第一占空比的步骤S100中，限制参考值可以随着电池放电量的增加而减小。当电池与转换器并联连接时，转换器与电池一起应对负载的输出，电池应对转换器的一部分负载。此外，转换器的一部分输出可用于对电池充电。因此，负载的程度可以由电池的放电量判断。特别地，一部分负载可以由电池驱动以提高用于驱动连接到电池的移动体或装置的燃料电池、诸如内燃机的能量发生器或驱动装置的燃料效率或防止耐久性劣化。特别地，电池需要具有最小的充电量来应对负载。然后，需要进一步限制为电池充电的转换器的输出。因此，根据本实施例的转换器控制方法可以在随着电池的放电量增加而减小限制参考值使得电池和转换器一起产生输出的系统中根据负载程度提高输出限制阶段。
图6示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图，在生成第一占空比的步骤S100中，限制参考值可以随着在转换器的负载处测量的第一输出变量的测量值或第二输出变量的测量值或转换器的温度的增加而减小。特别地，限制参考值是第一控制器基于第一误差生成第一占空比的过程中的参考值。这是用于应对转换器的快速变化的负载的输出限制值。特别地，还可以通过转换器的第一输出变量和第二输出变量的测量值，或者随着第一输出变量和/或第二输出变量的增加而增加的转换器的温度或热量来应对转换器的负载。因此，根据本公开实施例的转换器控制方法可以随着响应于特定时间的转换器的负载而生成的第一输出变量的测量值或第二输出变量的测量值的增加而减小限制参考值，从而可以根据负载程度提高输出限制阶段。
图6示出根据本公开实施例的转换器控制方法的流程图，在生成第一占空比的步骤中可以提供关于第二输出变量和效率之间的关系的效率数据，并且限制参考值可以是根据最大效率点与第二输出变量匹配的第一输出变量。换言之，当控制进入输出限制模式时，本公开实施例可以控制转换器使得转换器输出接近最大效率点处的输出。
特别地，当第一输出变量是输出电流并且第二输出变量是输出电压时，可以在输出电流-输出电压曲线图中输出电流与输出电压的乘积与输入电压之间的关系中包括与效率相关的效率数据。在这种情况下，根据最大效率点与输出电压匹配的输出电流可以被设置为限制参考值。因此，本公开实施例增加了转换器在输出限制状态下的高效率操作区间。根据本公开实施例的转换器控制方法的恒流控制可以稳定从转换器输入电力的装置和系统，加强对转换器的保护，并使相应系统高效运行。
本公开涉及一种转换器控制装置及控制方法，更具体地，涉及一种通过并联连接的控制器的占空比值限制输出的转换器控制装置及控制方法。特别地，本公开可以通过从并联连接的控制回路导出的有限占空比值来限制输出而提供宽的控制频带上移范围，并针对快速变化负载的干扰进行补偿，从而确保稳定的控制性能。
当硬件谐振频率和转换器的控制频带彼此接近时，由于相互干扰，控制性能变得不稳定。因此，用于解决这些问题的根据本公开实施例的转换器控制装置及控制方法应用具有基本结构改变的新配置的控制器。在通常使用的级联控制中，内回路需要比外回路具有更快的响应，以防止两个或更多个反馈回路之间的干扰。因此，当由于设备具有硬件引起谐振的特性而限制内回路的控制频带上移时，外回路的频带的上移自然受到限制。这种情况下，传统控制难以在低频段实现快速响应。
另一方面，根据本公开实施例的转换器控制装置及控制方法，可以通过基于第一控制器C1的第一占空比和第二控制器C2的第二占空比导出的最终占空比来控制转换器以摆脱级联的依赖性。因此，通过根据本公开实施例的转换器控制装置及控制方法，能够设计适合控制目的的响应速度并因此提高频带设计的自由度。因此，本公开实施例是一种用于提高瞬态响应性能并预先防止负载的突然变化或过电流的产生以提高系统稳定性的新控制方案。
根据本公开的通过开关元件的占空比调节的转换器控制装置及控制方法，可以通过从并联连接的控制回路导出的有限占空比值来限制输出而提供宽的控制频带上移范围，并针对快速变化负载的干扰进行补偿，从而确保稳定的控制性能。
尽管为了说明的目的公开了本公开的特定实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离所附权利要求书中公开的本公开的范围和思想的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (13)

1.一种转换器控制装置，其为具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制装置，包括：
第一控制器，基于作为限制所述第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的所述第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；
第二控制器，基于所述第二输出变量的预定参考值和在所述转换器的负载处测量的所述第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比；以及
占空比确定单元，基于所述第一占空比和所述第二占空比导出所述开关元件的最终占空比。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述占空比确定单元导出所述第一占空比和所述第二占空比中的较小值作为所述最终占空比。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述占空比确定单元导出所述第一占空比和所述第二占空比之间的代表值作为所述最终占空比。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一输出变量是输出电流，所述第二输出变量是输出电压。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述限制参考值随着在所述转换器的负载处测量的所述第一输出变量的测量值或所述第二输出变量的测量值或所述转换器的温度的增加而减小。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述限制参考值随着电池的放电量的增加而减小。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一控制器包括关于所述第二输出变量和效率之间的关系的效率数据，并且所述限制参考值是根据最大效率点与所述第二输出变量匹配的所述第一输出变量。
8.一种转换器控制方法，其为具有通过开关元件的占空比调节的第一输出变量和第二输出变量的转换器控制方法，包括：
通过第一控制器，基于作为限制所述第一输出变量的大小的参考值的预定限制参考值和在转换器的负载处测量的所述第一输出变量的测量值之间的第一误差生成第一占空比；
通过第二控制器，基于所述第二输出变量的预定参考值和在所述转换器的负载处测量的所述第二输出变量的测量值之间的第二误差生成第二占空比；以及
通过占空比确定单元，基于所述第一占空比和所述第二占空比导出所述开关元件的最终占空比。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，导出所述开关元件的最终占空比包括导出所述第一占空比和所述第二占空比中的较小值作为所述最终占空比。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，在生成所述第一占空比中所述第一输出变量是输出电流，在生成所述第二占空比中所述第二输出变量是输出电压。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，在生成所述第一占空比中，所述限制参考值随着电池的放电量的增加而减小。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，在生成所述第一占空比中，所述限制参考值随着在所述转换器的负载处测量的所述第一输出变量的测量值或所述第二输出变量的测量值或所述转换器的温度的增加而减小。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，在生成所述第一占空比中，提供关于所述第二输出变量和效率之间的关系的效率数据，并且所述限制参考值是根据最大效率点与所述第二输出变量匹配的所述第一输出变量。
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