CN117280586A - 一种pfc快速动态响应控制方法、系统 - Google Patents

一种pfc快速动态响应控制方法、系统 Download PDF

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CN117280586A CN202180093980.2A CN202180093980A CN117280586A CN 117280586 A CN117280586 A CN 117280586A CN 202180093980 A CN202180093980 A CN 202180093980A CN 117280586 A CN117280586 A CN 117280586A
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郭水保
汪易强
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Abstract

本发明涉及一种PFC快速动态响应控制方法、系统，所述的控制方法包括如下步骤：构建输出电压控制器，利用所述的输出电压控制器对PFC电路的输出电压进行跟踪校正；构建负载电流前馈控制器，利用所述的负载电流前馈控制器估算前馈峰值电流并与输出电压控制器的输出进行累加确定输入电流参考峰值；基于所述的输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号，基于所述的开关信号控制开关管通断。与现有技术相比，本发明具有动态响应快、输入电流谐波分量小等优点。

Description

一种PFC快速动态响应控制方法、系统 技术领域
本发明涉及PFC控制技术领域，尤其是涉及一种PFC快速动态响应控制方法、系统。
背景技术
车载充电系统的前级开关电源常采用单相PFC电路，输入端为市电，输出端为车载充电系统的后级，对接高压电池组。
目前车载充电系统需要给汽车加热器(PTC)模块供电，因此负载不再只给电池充电时那么稳定，存在阶跃性变化的过程，所以对动态性能的要求变高。车载充电系统的动态性能主要由硬件输出端的储能电容和系统控制算法共同来决定，但是储能电容的容量受硬件成本和功率密度的制约，其容量有限，所以动态性能主要由系统控制算法来进行优化。
负载动态变化时，PFC中的母线电压会发生变化，变化过于剧烈会出现过压或欠压的情况，这两种情况都有可能导致整流桥损坏，从PFC的控制算法可知，动态调节的关键是母线电压环的控制，因此母线电压环的动态响应能力至关重要。目前母线电压环的常用控制方法是通过PI通用校正器来实现，负载阶跃变化时通过判断电压偏差大于某阀值时来改变PI带宽。这种PI控制方式存在动态响应慢、输入电流谐波分量大等缺点。
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动态响应快、输入电流谐波分量小的单相PFC快速动态响应控制方法、系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种PFC快速动态响应控制方法，该方法包括如下步骤：
构建输出电压控制器，利用所述的输出电压控制器对PFC电路的输出电压进行跟踪校正；
构建负载电流前馈控制器，利用所述的负载电流前馈控制器估算前馈峰值电流并与输出电压控制器的输出进行累加确定输入电流参考峰值；
基于所述的输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号，基于所述的开关信号控制开关管通断。
优选地，估算前馈峰值电流的方式具体为：
采样PFC电路的电路参数和控制参数，所述的电路参数包括输入电压、输入电流和输出电压，所述的控制参数包括实时PWM占空比；
对所述的输入电压、输入电流和输出电压分别进行处理，获取输入电压有效值、输出电压真实值和输入电流真实值；
基于所述的输出电压真实值、输入电流真实值和实时PWM占空比估算得到负载电流的估算值；
基于所述的输出电压真实值、负载电流的估算值和输入电压有效值估算得到前馈峰值电流的估算值。
优选地，所述的负载电流的估算值的具体估算方式包括：
对输出电压真实值进行微分处理并乘以微分系数估算出流过母线电容的电流；
将输入电流真实值和实时PWM占空比相乘估算PFC整流桥的输出电流；
将所述的PFC整流桥的输出电流减去所述的流过母线电容的电流得到负载电流的估算值。
优选地，所述的前馈峰值电流的估算值通过下式估算得到：
i f为前馈峰值电流的估算值，i o为负载电流的估算值，v bus为输出电压真实值，v ACRMS为输入电压有效值，C为转换系数。
优选地，输入电流参考峰值通过如下方式获得：将估算的前馈峰值电流与输出电压控制器的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值，对原始输入电流参考峰值进行滤波处理得到输入电流参考峰值。
优选地，采用IIR数字滤波器对所述的原始输入电流参考峰值进行滤波处理，所述的IIR数字滤波器的滤波因子设置为：
其中，K为滤波因子，F IN为IIR数字滤波器输入信号，F OUT为IIR数字滤波器输出信号，B为比例系数。
一种PFC快速动态响应控制系统，，该控制系统用于PFC电路的控制，所述的控制系统包括：
输出电压控制器：用于对PFC电路的输出电压进行跟踪校正；
负载电流前馈控制器：包括前馈峰值电流估算模块和输入电流参考峰值估算模块，所述的前馈峰值电流估算模块估算前馈峰值电流，所述的输入电流参考峰值估算模块将前馈峰值电流的估算值与输出电压控制器的输出进行累加确定输入电流参考峰值；
电流控制器：基于所述的输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号并控制开关管通断。
优选地，所述的前馈峰值电流估算模块包括：
采样子模块：采样PFC电路的电路参数和控制参数，所述的电路参数包括输入电压、输入电流和输出电压，所述的控制参数包括实时PWM占空比；
数据处理子模块：对所述的输入电压、输入电流和输出电压分别进行处理，获取输入电压有效值、输出电压真实值和输入电流真实值；
负载电流估算子模块：基于所述的输出电压真实值、输入电流真实值和实时PWM占空比估算得到负载电流的估算值；
前馈峰值电流估算子模块：基于所述的输出电压真实值、负载电流的估算值和输入电压有效值估算得到前馈峰值电流的估算值。
优选地，所述的负载电流估算子模块包括：
母线电容电流估算第一子模块：对输出电压真实值进行微分处理并乘以微分系数估算出流过母线电容的电流；
PFC整流桥输出电流估算第二子模块：将输入电流真实值和实时PWM占空比相乘估算PFC整流桥的输出电流；
负载电流估算值计算第三子模块：将所述的PFC整流桥的输出电流减去所述的流过母线电容的电流得到负载电流的估算值。
优选地，所述的前馈峰值电流估算子模块通过下式计算估算得到前馈峰值电流的估算值：
i f为前馈峰值电流的估算值，i o为负载电流的估算值，v bus为输出电压真实值， v ACRMS为输入电压有效值，C为转换系数。
优选地，所述的输入电流参考峰值估算模块包括：
原始输入电流参考峰值估算子模块：将估算的前馈峰值电流与输出电压控制器的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值；
滤波子模块：对原始输入电流参考峰值进行滤波处理得到输入电流参考峰值。
优选地，所述的滤波子模块包括IIR数字滤波器，所述的IIR数字滤波器的滤波因子设置为：
其中，K为滤波因子，F IN为IIR数字滤波器输入信号，F OUT为IIR数字滤波器输出信号，B为比例系数。
优选地，所述的输出电压控制器包括PI控制器。
优选地，所述的PFC电路包括单相PFC电路或三相PFC电路。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明在传统电压控制(PI控制)的基础上加入负载电流前馈控制，负载电流前馈控制能够快速响应负载的阶跃变化，实现了负载动态切换时的快速响应能力，同时负载电流前馈控制具有输入电流控制的谐波分量抑制功能，减小输入电流的谐波分量；
(2)本发明只需采样PFC电路的输入电压、输入电流和输出电压，用估算的方式代替硬件难以实现的前馈峰值电流采样，可以节省硬件成本同时也能提高系统的可靠性和灵活性；
(3)本发明采用IIR数字滤波器对原始输入电流参考峰值进行滤波处理，滤除原始输入电流参考峰值中的工频纹波和高频干扰，得到输入电流参考峰值，使输入电流参考峰值在一个工频周期内更接近直线，IIR数字滤波器中滤波因子的设置可以根据输入值的变化率来改变IIR的截至频率，达到变化率越快响应越快、变化率越慢波动越小的控制目的，采用可变带宽的滤波技术，保证动态快速响应能力同时也保证了输入电流控制的正弦度指标。
附图说明
图1为本发明一种PFC快速动态响应控制方法的流程框图；
图2为本发明实施例1中单相PFC电路的电路拓扑图；
图3为本发明实施例1中单相PFC电路PWM控制时序示意图；
图4为本发明实施例1中单相PFC电路的数学模型图；
图5为本发明实施例1中采用本发明方法进行控制的控制框图；
图6为本发明实施例1中采用传统电压PI控制的动态响应matlab仿真波形；
图7为本发明实施例1中采用本发明控制方法的动态响应matlab仿真波形；
图8为本发明实施例2中一种PFC快速动态响应控制系统。
图中，11为输出电压控制器，12为负载电流前馈控制器，13为电流控制器，14为采样子模块，15为输入电压检测模块。
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。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种PFC快速动态响应控制方法，该方法包括如下三大步骤：
一、构建输出电压控制器11，利用输出电压控制器11对PFC电路的输出电压进行跟踪校正，其中，PFC电路包括单相PFC电路和三相PFC电路；
二、构建负载电流前馈控制器12，利用负载电流前馈控制器12估算前馈峰值电流并与输出电压控制器11的输出进行累加确定输入电流参考峰值。
具体地：
估算前馈峰值电流的方式具体为：
采样PFC电路的电路参数和控制参数，电路参数包括输入电压、输入电流和输出电压，控制参数包括实时PWM占空比；
对输入电压、输入电流和输出电压分别进行处理，获取输入电压有效值、输出电压真实值和输入电流真实值；
基于输出电压真实值、输入电流真实值和实时PWM占空比估算得到负载电流的估算值；
基于输出电压真实值、负载电流的估算值和输入电压有效值估算得到前馈峰值 电流的估算值。
负载电流的估算值的具体估算方式包括：
对输出电压真实值进行微分处理并乘以微分系数估算出流过母线电容的电流；
将输入电流真实值和实时PWM占空比相乘估算PFC整流桥的输出电流；
将PFC整流桥的输出电流减去流过母线电容的电流得到负载电流的估算值。
前馈峰值电流的估算值通过下式估算得到：
i f为前馈峰值电流的估算值，i o为负载电流的估算值，v bus为输出电压真实值，v ACRMS为输入电压有效值，C为转换系数。
输入电流参考峰值通过如下方式获得：将估算的前馈峰值电流与输出电压控制器11的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值，对原始输入电流参考峰值进行滤波处理得到输入电流参考峰值。
采用IIR数字滤波器对原始输入电流参考峰值进行滤波处理，IIR数字滤波器的滤波因子设置为：
其中，K为滤波因子，F IN为IIR数字滤波器输入信号，F OUT为IIR数字滤波器输出信号，B为比例系数。
IIR数字滤波器对原始输入电流参考峰值进行滤波处理，滤除原始输入电流参考峰值中的工频纹波和高频干扰，得到输入电流参考峰值，使输入电流参考峰值在一个工频周期内更接近直线，IIR数字滤波器中滤波因子的设置可以根据输入值的变化率来改变IIR的截至频率，达到变化率越快响应越快、变化率越慢波动越小的控制目的，采用可变带宽的滤波技术，保证动态快速响应能力同时也保证了输入电流控制的正弦度指标。
三、基于输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号，基于开关信号控制开关管通断。
本实施例以单相PFC电路为例具体说明本发明一种PFC快速动态响应控制方法的具体实施过程：
如图2所示为单相PFC电路的电路拓扑：
输入端：为正弦电压，其有限值范围为85Vac-275Vac，频率范围为45Hz-75Hz；
输出端：为直流电压，其范围为380Vdc-410Vdc；
典型技术要求：输入端的功率因数大于0.99，最大输出功率6.6KW；
控制要求：由输入输出特征可知本拓扑须采用BOOST方式进行升压控制，根据输入电压的极性改变斩波桥臂，同时需要将输入电流控制为正弦且相位须跟随输入电压。
模拟信号采样点说明：如图2，采样点S1为输入电压采样，采样点S2为输入电流采样，采样点S3为输出电压采样。
图2中，“L”为输入端功率电感，“C”为输出端储能电容(也称为母线电容)，“MosH1”和“MosL1”为BOOST桥臂，其PWM控制时序如图3所示，“MosH2”和“MosL2”为工频整流桥臂，其PWM控制时序为单极性带同步整流发波方式。
图4为本实施例中单相PFC电路的数学模型，图5为采用本发明方法进行控制的控制框图。图5中，PI为电压环的输出电压控制器11，f1(u)为流过母线电容电流的估算函数，f2(u)为PFC整流桥输出电流的估算函数，RMS为对采样的输入电压进行滤波和有效值计算得到输入电压有效值，f3(u)为前馈峰值电流的估算函数，f4(u)为滤波器函数。其具体控制步骤为：
(1)采集PFC的输出电压进行滤波和真实值计算，输出电压即为母线电容两端的电压，对此电压进行微分处理后再乘以微分系数就可以估算出流过母线电容的电流；
(2)采集PFC的输入电流(功率电感的电流)并进行滤波和真实值计算，以实时PWM占空比为核心系数乘以输入电流就可以估算出PFC整流桥的输出电流；
(3)用PFC整流桥的输出电流减去流过母线电容的电流来估算负载电流；
(4)采集PFC输入端的输入电压并进行滤波和有效值计算，用负载电流乘以PFC的输出电压再除以输入电压有效值再乘以一个转换系数就可以估算出前馈峰值电流；
(5)将前馈峰值电流的估算值与输出电压控制器11的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值；
(6)对原始输入电流参考峰值采用IIR数字滤波器进行滤波处理并进行上下限处理得到输入电流参考峰值；
(7)基于输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信 号并控制开关管通断。
本实施例将传统电压PI控制和本发明控制方法进行仿真比对，图6为传统电压PI控制的动态响应matlab仿真波形，由图6可见，负载切换时由于响应过慢，使得输出电压跌落较大，且输入电流谐波明显很大。
采用本发明控制方法的动态响应matlab仿真波形如图7所示，由图7可见，当负载快速切换时母线电压跌落较小，输入电流在可控范围内，谐波小。
实施例2
如图8所示，本实施例提供一种PFC快速动态响应控制系统，该控制系统用于PFC电路的控制，PFC电路包括单相PFC电路和三相PFC电路。
控制系统包括：
输出电压控制器11：用于对PFC电路的输出电压进行跟踪校正，输出电压控制器11包括PI控制器、PID控制器等；
负载电流前馈控制器12：包括前馈峰值电流估算模块和输入电流参考峰值估算模块，所述的前馈峰值电流估算模块估算前馈峰值电流，所述的输入电流参考峰值估算模块将前馈峰值电流的估算值与输出电压控制器11的输出进行累加确定输入电流参考峰值；
电流控制器13：基于所述的输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号并控制开关管通断。
具体地：
前馈峰值电流估算模块包括：
采样子模块14：采样PFC电路的电路参数和控制参数，所述的电路参数包括输入电压、输入电流和输出电压，所述的控制参数包括实时PWM占空比；
数据处理子模块：对所述的输入电压、输入电流和输出电压分别进行处理，获取输入电压有效值、输出电压真实值和输入电流真实值；
负载电流估算子模块：基于所述的输出电压真实值、输入电流真实值和实时PWM占空比估算得到负载电流的估算值，更为具体地：负载电流估算子模块包括：
母线电容电流估算第一子模块：对输出电压真实值进行微分处理并乘以微分系数估算出流过母线电容的电流；
PFC整流桥输出电流估算第二子模块：将输入电流真实值和实时PWM占空比 相乘估算PFC整流桥的输出电流；
负载电流估算值计算第三子模块：将所述的PFC整流桥的输出电流减去所述的流过母线电容的电流得到负载电流的估算值；
前馈峰值电流估算子模块：基于所述的输出电压真实值、负载电流的估算值和输入电压有效值估算得到前馈峰值电流的估算值，前馈峰值电流估算子模块通过下式计算估算得到前馈峰值电流的估算值：
i f为前馈峰值电流的估算值，i o为负载电流的估算值，v bus为输出电压真实值，v ACRMS为输入电压有效值，C为转换系数。
输入电流参考峰值估算模块包括：
原始输入电流参考峰值估算子模块：将估算的前馈峰值电流与输出电压控制器11的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值；
滤波子模块：对原始输入电流参考峰值进行滤波处理得到输入电流参考峰值。
滤波子模块包括IIR数字滤波器，所述的IIR数字滤波器的滤波因子设置为：
其中，K为滤波因子，F IN为IIR数字滤波器输入信号，F OUT为IIR数字滤波器输出信号，B为比例系数。
图8中包括输入电压检测模块15，输入电压检测模块15用于采样子模块14采样出输入电压后进行输入电压的检测。
本发明控制系统用于实现实施例1中一种PFC快速动态响应控制方法，其具体实施例过程与实施例1相同，在本实施例中不再赘述。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (14)

  1. 一种PFC快速动态响应控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
    构建输出电压控制器，利用所述的输出电压控制器对PFC电路的输出电压进行跟踪校正；
    构建负载电流前馈控制器，利用所述的负载电流前馈控制器估算前馈峰值电流并与输出电压控制器的输出进行累加确定输入电流参考峰值；
    基于所述的输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号，基于所述的开关信号控制开关管通断。
  2. 根据权利要求1所述的一种PFC快速动态响应控制方法，其特征在于，估算前馈峰值电流的方式具体为：
    采样PFC电路的电路参数和控制参数，所述的电路参数包括输入电压、输入电流和输出电压，所述的控制参数包括实时PWM占空比；
    对所述的输入电压、输入电流和输出电压分别进行处理，获取输入电压有效值、输出电压真实值和输入电流真实值；
    基于所述的输出电压真实值、输入电流真实值和实时PWM占空比估算得到负载电流的估算值；
    基于所述的输出电压真实值、负载电流的估算值和输入电压有效值估算得到前馈峰值电流的估算值。
  3. 根据权利要求2所述的一种PFC快速动态响应控制方法，其特征在于，所述的负载电流的估算值的具体估算方式包括：
    对输出电压真实值进行微分处理并乘以微分系数估算出流过母线电容的电流；
    将输入电流真实值和实时PWM占空比相乘估算PFC整流桥的输出电流；
    将所述的PFC整流桥的输出电流减去所述的流过母线电容的电流得到负载电流的估算值。
  4. 根据权利要求2所述的一种PFC快速动态响应控制方法，其特征在于，所述的前馈峰值电流的估算值通过下式估算得到：
    i f为前馈峰值电流的估算值，i o为负载电流的估算值，v bus为输出电压真实值， v ACRMS为输入电压有效值，C为转换系数。
  5. 根据权利要求1所述的一种PFC快速动态响应控制方法，其特征在于，输入电流参考峰值通过如下方式获得：将估算的前馈峰值电流与输出电压控制器的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值，对原始输入电流参考峰值进行滤波处理得到输入电流参考峰值。
  6. 根据权利要求5所述的一种PFC快速动态响应控制方法，其特征在于，采用IIR数字滤波器对所述的原始输入电流参考峰值进行滤波处理，所述的IIR数字滤波器的滤波因子设置为：
    其中，K为滤波因子，F IN为IIR数字滤波器输入信号，F OUT为IIR数字滤波器输出信号，B为比例系数。
  7. 一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，该控制系统用于PFC电路的控制，所述的控制系统包括：
    输出电压控制器(11)：用于对PFC电路的输出电压进行跟踪校正；
    负载电流前馈控制器(12)：包括前馈峰值电流估算模块和输入电流参考峰值估算模块，所述的前馈峰值电流估算模块估算前馈峰值电流，所述的输入电流参考峰值估算模块将前馈峰值电流的估算值与输出电压控制器(11)的输出进行累加确定输入电流参考峰值；
    电流控制器(13)：基于所述的输入电流参考峰值进行电流环控制确定PFC电路中开关管的开关信号并控制开关管通断。
  8. 根据权利要求7所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的前馈峰值电流估算模块包括：
    采样子模块(14)：采样PFC电路的电路参数和控制参数，所述的电路参数包括输入电压、输入电流和输出电压，所述的控制参数包括实时PWM占空比；
    数据处理子模块：对所述的输入电压、输入电流和输出电压分别进行处理，获取输入电压有效值、输出电压真实值和输入电流真实值；
    负载电流估算子模块：基于所述的输出电压真实值、输入电流真实值和实时PWM占空比估算得到负载电流的估算值；
    前馈峰值电流估算子模块：基于所述的输出电压真实值、负载电流的估算值和 输入电压有效值估算得到前馈峰值电流的估算值。
  9. 根据权利要求8所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的负载电流估算子模块包括：
    母线电容电流估算第一子模块：对输出电压真实值进行微分处理并乘以微分系数估算出流过母线电容的电流；
    PFC整流桥输出电流估算第二子模块：将输入电流真实值和实时PWM占空比相乘估算PFC整流桥的输出电流；
    负载电流估算值计算第三子模块：将所述的PFC整流桥的输出电流减去所述的流过母线电容的电流得到负载电流的估算值。
  10. 根据权利要求8所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的前馈峰值电流估算子模块通过下式计算估算得到前馈峰值电流的估算值：
    i f为前馈峰值电流的估算值，i o为负载电流的估算值，v bus为输出电压真实值，v ACRMS为输入电压有效值，C为转换系数。
  11. 根据权利要求7所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的输入电流参考峰值估算模块包括：
    原始输入电流参考峰值估算子模块：将估算的前馈峰值电流与输出电压控制器(11)的输出进行累加得到原始输入电流参考峰值；
    滤波子模块：对原始输入电流参考峰值进行滤波处理得到输入电流参考峰值。
  12. 根据权利要求11所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的滤波子模块包括IIR数字滤波器，所述的IIR数字滤波器的滤波因子设置为：
    其中，K为滤波因子，F IN为IIR数字滤波器输入信号，F OUT为IIR数字滤波器输出信号，B为比例系数。
  13. 根据权利要求7所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的输出电压控制器(11)包括PI控制器。
  14. 根据权利要求7所述的一种PFC快速动态响应控制系统，其特征在于，所述的PFC电路包括单相PFC电路或三相PFC电路。
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