CN203301375U - 一种基于分层思想的模糊pi双环控制的直流升压电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于分层思想的模糊PI双环控制的直流Boost升压电路，该电路中的Boost升压变换器的电路拓扑结构与以TMS320F2812DSP为控制核心的硬件的控制电路共同构成了常用的非隔离升压电路，所述电路的控制方法是依据模糊控制理论，将模糊控制方法与传统线性PI的电压、电流双环控制方法结合形成闭环系统，并以给定参数的boost变换器作为实例进行了仿真验证。仿真结果表明，本实用新型的升压电路的动、静态性能比传统控制下有较大的提升，而且能够最好地实现保护，最大限度地快速而不超过保护限值的控制设计；除了过流保护，还加入了专门的输入涌流限制，最大限度抑制了启动浪涌，并节省了启动涌流功率二极管，对输入变量的分层减少了控制算法的复杂度和计算量，为灵活实现更多附加控制功能提供了可能思路。

Description

一种基于分层思想的模糊PI双环控制的直流升压电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域的直流升压电路。 

背景技术

升压变换器是最基本和应用最为广泛的非隔离电力电子变换器之一，常用于实现功率因数校正和升压变换，具有较大的实用和研究价值。 

升压变换器传统控制器的设计多采用基于小信号模型的频率响应设计技术，运用系统的bode图，以增益、穿越频率和相位裕度为指标，足够的相位裕度下系统的稳定性和暂态响应都得到保证。其中单电压环控制虽然设计方法简单成熟，但动态特性缓慢，已经极少采用；双环PID的设计较为繁杂，但效果不错，首先进行内环设计，然后令内环闭环形成等效功率级，再据此进行外环设计。但是PI控制器只能在一个额定运行点设计，小信号模型的参数，极点、右半平面零点及频率响应的幅度都跟随占空比变化，因此当运行点变化时变换器的响应常不够好。变换器的模型无法精确是传统控制面临的另一个问题，因为存在扰动和损耗等情况，严格说来有些参数还是时变的。基于传统线性控制的变换器在性能要求较高的场合难以达到要求，需要引入基于非线性系统的非线性或智能控制方法。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于分层思想的模糊PI双环控制的升压电路，根据模糊控制理论，将模糊控制方法与传统线性PI的电压、电流双环控制方法结合形成闭环系统，变换器具有比传统线性PI双环控制下更好的动、静态性能，而且对输入变量进行分层，能够增加少量计算的情况下最好地实现过流保护和输入涌流限制，最大限度地快速而不超过保护限值的控制设计。本实用新型通过以下技术方案实现： 

一种基于分层的模糊PI双环控制的直流升压电路，其特征在于，采用升压变换器的电路拓扑结构和TMS320F2812DSP的软硬件控制电路，所述控制电路，其特征在于包括电感电流检测电路、输出电压检测电路、2812DSP及其辅助电路、和门极脉冲驱动电路；所述电感电流检测电路的电感电流取样电阻为第一电阻，它连接在直流输入电源负极和开关的源极之间，所述第一电阻和直流输入电源负极之间是第一取样点，第一取样点与2812DSP辅助电路中采样滤波器的一个输入端连接；所述输出电压检测电路的输出电压取样电阻连接在升压变换器的电路拓扑结构中二极管的阴极和地之间，输出电压检测电路的输出电压取样电阻为串联的第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和第三电阻之间是第二取样点，第二取样点与2812DSP辅助电路中采样滤波器的一个输入端连接；所述2812DSP辅助电路包括辅助电源、采样滤波电路和晶振电路，其中，辅助电源的输出给采样滤波电路、晶振电路及DSP供电；采样滤波电路接收第一取样点、第二取样点的采样信号滤波后送入DSP的A/D转换单元；晶振电路产生振荡脉冲信号并送入DSP作为其工作的时钟信号；门极脉冲驱动电路从2812DSP的PWM模块得到宽度与总的控制输出成正比的脉冲，并将它转化为功率脉冲以驱动开关；所述控制电路是把电感电流和输出电压的采样值转换为对应量值的数字量后在DSP内部进行一系列处理：首先要求出当前值与变换器的基准值的误差，输出电压基准是已知的，电感电流基准由采样电流值通过一个数字低通滤波器获得，输出电压和电感电流与基准的差值均被输入模糊比例和模糊积分控制器；其次，由模糊比例和模糊积分两个控制器输出的加和得到总的控制输出，再通过2812DSP的PWM模块得到宽度与总的控制输出成正比的脉冲，送入门极脉冲驱动电路。 

上述的模糊PI双环控制的升压电路，所述升压变换器的电路拓扑结构包括电感、开关管和二极管， 所述电感的一端与直流输入源正极连接，电感的另一端与开关管的漏极连接，开关管的源极与电感电流采样电阻连接，开关管的门极与脉冲驱动电路的输出端连接；同时，电感的另一端与二极管阳极连接，二极管的阴极与负载连接。 

与现有技术相比本实用新型具有如下优点：本实用新型能够较大的提升系统的动、静态性能，而且能够最好地实现保护，最大限度地快速而不超过保护限值的控制设计；除了过流保护，还有专门的输入涌流限制，对输入变量的分层减少了控制算法的复杂度和计算量，为灵活实现更多功能提供了思路。 

附图说明

图1是以2812DSP为控制核心、模糊PI双环控制下的升压变换器电路图。 

图2是2812DSP实现模糊PI控制器的算法结构图。 

图3是模糊PI控制下升压变换器起机电感电流仿真波形图。 

图4是模糊PI控制下升压变换器起机输出电压仿真波形图。 

图5是模糊PI控制下升压变换器负载跳变电感电流仿真波形图。 

图6是模糊PI控制下升压变换器负载跳变输出电压仿真波形图。 

具体实施方式

以下是结合模糊PI双环控制的升压电路，如附图1，对本实用新型技术方案的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。 

传统升压变换器PI控制器的设计是基于假定变换器为线性系统的基础上进行控制器设计，在性能要求较高的场合仍难达到要求；变换器的模型无法精确是传统设计难以解决的另一个问题，因为存在扰动、损耗及参数时变等情况。 

因此，本实用新型电路采用一种新的基于分层的模糊PI双环控制方法，具有不需要系统的精确模型、鲁棒性强的优点，可以实现变换器在宽运行范围内动、静态特性的提升，具体实施方法如下： 

所述升压变换器的电路拓扑结构包括电感、开关管和二极管，所述电感的一端与直流输入源正极连接，电感的另一端与开关管的漏极连接，开关管的源极与电感电流采样电阻连接，开关管的门极与脉冲驱动电路6的输出端连接；同时，电感的另一端与二极管阳极连接，二极管的阴极与负载连接。 

一种基于分层的模糊PI双环控制的直流升压电路，其特征在于，采用升压变换器的电路拓扑结构和TMS320F2812DSP的软硬件控制电路，所述控制方电路，其特征在于包括电感电流检测电路、输出电压检测电路、2812DSP及其辅助电路、和门极脉冲驱动电路；所述电感电流检测电路的电感电流取样电阻为第一电阻，它连接在直流输入电源负极和开关的源极之间，所述第一电阻和直流输入电源负极之间是第一取样点，第一取样点与2812DSP辅助电路中采样滤波器的一个输入端连接；所述输出电压检测电路的输出电压取样电阻连接在升压变换器的电路拓扑结构中二极管的阴极和地之间，输出电压检测电路的输出电压取样电阻为串联的第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和第三电阻之间是第二取样点，第二取样点与2812DSP辅助电路中采样滤波器的一个输入端连接；所述2812DSP辅助电路包括辅助电源、采样滤波电路和晶振电路，其中，辅助电源的输出给采样滤波电路、晶振电路及DSP供电；采样滤波电路接收第一取样点、第二取样点的采样信号滤波后送入DSP的A/D转换单元；晶振电路产生振荡脉冲信号并送入DSP作为其工作的时钟信号；门极脉冲驱动电路从2812DSP的PWM模块得到宽度与总的控制输出成正比的脉冲，并将它转化为功率脉冲以驱动开关；所述控制电路是把电感电流和输出电压的采样值转换为对应量值的数字量后在DSP内部进行一系列处理：首先要求出当前值与变换器的基准值的误差，输出电压基准是已知的，电感电流基准由采样电流值通过一个数字低通滤波器获得， 输出电压和电感电流与基准的差值均被输入模糊比例和模糊积分控制器；其次，由模糊比例和模糊积分两个控制器输出的加和得到总的控制输出，再通过2812DSP的PWM模块得到宽度与总的控制输出成正比的脉冲，送入门极脉冲驱动电路。附图2是2812DSP实现模糊PI控制器的算法结构图。 

为了验证上述电路的可行性，下面对一个主电路设计完备的升压变换器进行仿真验证。变换器的主要参数见下表1。 

表1.升压变换器的主电路参数 

图3和图4是升压变换器零状态起机的电感电流i_L和输出电压U_o的MATLAB仿真波形，最初输出电压低于输入电压时，涌流抑制的控制下电感电流上升到理想的最小涌流值；输出电压高于输入电压后，脱离了涌流区，此时的电感电流处在过流保护区，在保护的限制下逐渐回落，输出电压较快到达设定值附近，而且过冲极小。图5和图6是变换器在负载从稳态的满载跳变到轻载时的仿真波形，电感电流和输出电压的过冲控制和响应速度都较快。 

经上述分析，本实用新型提出的这种基于分层的模糊PI双环控制的升压变换器，其动、静态性能比传统控制都有较大的提升，而且能够最好地实现保护，最大限度地快速而不超过保护限值的控制设计；除了过流保护，还有专门的输入涌流限制，最大限度抑制了启动浪涌，并节省了启动涌流功率二极管，对输入变量的分层减少了控制算法的复杂度和计算量，为低成本实现更多控制功能提供了思路和方案。 

Claims (2)

1.一种基于分层思想的模糊PI双环控制的直流升压电路，其特征在于，采用升压变换器的电路拓扑结构和TMS320F2812DSP构成控制电路，其特征在于，所述控制电路包括电感电流检测电路(2)、输出电压检测电路(3)、2812DSP及其辅助电路(4)、和门极脉冲驱动电路(6)；所述电感电流检测电路(2)的电感电流取样电阻为第一电阻(R₁)，它连接在直流输入电源负极和开关(S)的源极之间，所述第一电阻(R₁)和直流输入电源负极之间是第一取样点(a)，第一取样点(a)与2812DSP辅助电路(5)中采样滤波器的一个输入端连接；所述输出电压检测电路(3)的输出电压取样电阻连接在Boost升压变换器的电路拓扑结构(1)中二极管(D)的阴极和地之间，输出电压检测电路(3)的输出电压取样电阻为串联的第二电阻(R₂)和第三电阻(R₃)，所述第二电阻(R₂)和第三电阻(R₃)之间是第二取样点(b)，第二取样点(b)与2812DSP辅助电路(5)中采样滤波器的一个输入端连接；所述2812DSP辅助电路(5)包括辅助电源、采样滤波电路和晶振电路，其中，辅助电源的输出给采样滤波电路、晶振电路及DSP供电；采样滤波电路接收第一取样点(a)、第二取样点(b)的采样信号滤波后送入DSP的A/D转换单元；晶振电路产生振荡脉冲信号并送入DSP作为其工作的时钟信号；门极脉冲驱动电路(6)从2812DSP的PWM模块得到宽度与总的控制输出成正比的脉冲，并将它转化为功率脉冲以驱动开关(S)；所述控制电路是把电感电流和输出电压的采样值转换为对应量值的数字量后在DSP内部进行一系列处理。 

2.如权利要求1所述的一种基于分层思想的模糊PI双环控制的直流升压电路，其特征在于所述升压变换器的电路拓扑结构(1)包括电感(L)、开关管(S)和二极管(D)，所述电感(L)的一端与直流输入源正极连接，电感(L)的另一端与开关管(S)的漏极连接，开关管(S)的源极与电感电流采样电阻(R₁)连接，开关管(S)的门极与门极脉冲驱动电路(6)的输出端连接；同时，电感(L)的另一端与二极管(D)阳极连接，二极管(D)的阴极与负载连接。 

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