一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,所述方法包括以下步驟:S100、采用狀態(tài)空間平均法建立開關(guān)功率變換器的功率級電路的傳遞函數(shù);S200、列寫出數(shù)字控制器的零階保持電路的傳遞函數(shù)及數(shù)字控制環(huán)路中的延遲傳遞函數(shù);S300、列寫出輸出電壓的檢測增益、電感電流的檢測增益,包括A/D轉(zhuǎn)換增益;S400、根據(jù)數(shù)字電流模控制規(guī)律,得出表示電流控制規(guī)律的函數(shù)Gc,并且在此基礎(chǔ)上,設(shè)計出電壓環(huán)路補償器Gv,完成整個數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器系統(tǒng)的建模;S500、最后采用等效小參量法對所建模型進行穩(wěn)定性分析。本發(fā)明技術(shù)提高了系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性,而且對系統(tǒng)非線性的研究具有極高的應(yīng)用價值。
【專利說明】一種數(shù)字電流模控制的開關(guān)功率變換器的建模及分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)變換器的建模,特別是涉及一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)電源是一個帶有閉環(huán)控制的高階-離散-非線性-時變系統(tǒng),并且強非線性是開關(guān)變換器的本質(zhì)。因此,研究開關(guān)變換器的建模方法、非線性機理及穩(wěn)定性分析是電力電子學(xué)領(lǐng)域的重要內(nèi)容。國內(nèi)外學(xué)者對模擬控制的各類開關(guān)變換器的混沌、分岔等非線性特性的分析,以及開關(guān)變換器的分段切換律的研究,取得了豐碩的成果。然而,由于受數(shù)字控制系統(tǒng)中的采樣保持、時間延遲和量化誤差的影響,對數(shù)字控制DC-DC開關(guān)變換器的切換非線性特性分析更為復(fù)雜,故其模型的建立也將更為關(guān)鍵。
[0003]與分析模擬控制DC-DC變換器的非線性運行機理一致,若建立數(shù)字電流模控制的DC-DC變換器的切換線性系統(tǒng)模型,即可發(fā)現(xiàn)其潛在的混沌、分岔等非線性現(xiàn)象,揭示數(shù)字控制系統(tǒng)的非線性運行機理。同時,也基于所建立的數(shù)字電流模控制系統(tǒng)來研究系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性,得出系統(tǒng)穩(wěn)定和混沌態(tài)工作的參數(shù)區(qū)間。這些分析結(jié)果將在系統(tǒng)電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的應(yīng)用研究上具有重要意義。
[0004]目前國內(nèi)外學(xué)者主要研究的對象為模擬控制DC-DC變換器,且數(shù)字控制的DC-DC變換器其研究對象也只是針對數(shù)字電壓模控制的DC-DC變換器。此外,在建模的過程中,往往忽略了數(shù)字控制環(huán)路中的采樣保持、環(huán)路延遲以及量化的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的主要目的在于針對數(shù)字電流??刂频腄C-DC變換器建立考慮數(shù)字控制環(huán)路中的采樣保持、環(huán)路延遲以及量化的問題,提供一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):1、一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,包括以下步驟:
[0007]S100、采用狀態(tài)空間平均法建立開關(guān)功率變換器的功率級電路的傳遞函數(shù);
[0008]S200、列寫出數(shù)字控制器的零階保持電路的傳遞函數(shù)及數(shù)字控制環(huán)路中的延遲傳遞函數(shù);
[0009]S300、列寫出輸出電壓的檢測增益、電感電流的檢測增益,均包括A/D轉(zhuǎn)換增益;
[0010]S400、根據(jù)數(shù)字電流??刂埔?guī)律,得出表示電流控制規(guī)律的函數(shù)G。,并且在此基礎(chǔ)上,設(shè)計出電壓環(huán)路補償器Gv,完成整個數(shù)字電流模控制的開關(guān)功率變換器系統(tǒng)的建模;
[0011]S500、最后采用等效小參量法對所建模型進行穩(wěn)定性分析。
[0012]優(yōu)選的,步驟SlOO中,所述的狀態(tài)空間平均法是利用DC-DC變換器的工作原理得出其狀態(tài)方程:x = + ,其中X = [iL V。]τ為狀態(tài)變量;u為輸入電壓;A = dA^d-d) A2 ;B = dB1+(l-d)B2 ;d表示DC-DC變換器的占空比;A“i = I, 2)分別為開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷時的狀態(tài)矩陣;Bi(i = 1,2)分別為開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷時的輸入矩陣,基于DC-DC變換器的狀態(tài)方程則可得到輸出變量X=占空比d的傳遞函數(shù)、
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,包括以下步驟: S100、采用狀態(tài)空間平均法建立開關(guān)功率變換器的功率級電路的傳遞函數(shù); S200、列寫出數(shù)字控制器的零階保持電路的傳遞函數(shù)及數(shù)字控制環(huán)路中的延遲傳遞函數(shù); S300、列寫出輸出電壓的檢測增益、電感電流的檢測增益,均包括A/D轉(zhuǎn)換增益; S400、根據(jù)數(shù)字電流模控制規(guī)律,得出表示電流控制規(guī)律的函數(shù)G。,并且在此基礎(chǔ)上,設(shè)計出電壓環(huán)路補償器Gv,完成整個數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器系統(tǒng)的建模; S500、最后采用等效小參量法對所建模型進行穩(wěn)定性分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流模控制的開關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟SlOO中,所述的狀態(tài)空間平均法是利用DC-DC變換器的工作原理得出其狀態(tài)方程:文=辦+伽,其中X = [iL V。]τ為狀態(tài)變量;u為輸入電壓;A = dAi+d-d) A2 ;B =dB1+(l-d)B2 ;d表示DC-DC變換器的占空比;Ai(i = 1,2)分別為開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷時的狀態(tài)矩陣;Bi(i = 1,2)分別為開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷時的輸入矩陣,基于DC-DC變換器的狀態(tài)方程則可得到輸出變量X= [i^JT到占空比d的傳遞函數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S200中,所述的數(shù)字控制器包括數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器DPWM和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,其中數(shù)字控制器中存在采樣和量化環(huán)節(jié),常用零階保持電路將離散信號轉(zhuǎn)化為連續(xù)信號,其傳遞函數(shù)
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S200中,所述的數(shù)字控制環(huán)路中的延遲包含控制器的計算時間te、A/D器的轉(zhuǎn)換時間ta/d及多路開關(guān)的延遲時間Td,其中控制器的計算時間te、A/D器的轉(zhuǎn)換時間ta/d合并在一起的傳遞函數(shù)為He;多路開關(guān)的延遲傳遞函數(shù)Grf⑷=e—& ;數(shù)字控制系統(tǒng)環(huán)路中所有延遲的傳遞函數(shù)見==e—。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S300中,所述的輸出電壓的檢測增益,包括A/D轉(zhuǎn)換增益,
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S400中,所述的數(shù)字電流??刂埔?guī)律是指DC-DC開關(guān)變換器的脈沖寬度調(diào)制規(guī)律,主要包括單緣調(diào)制和雙緣調(diào)制兩種調(diào)制方式,其中單緣調(diào)制包括前緣調(diào)制和后緣調(diào)制,雙緣調(diào)制包括三角前緣調(diào)制和三角后緣調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S400中,所述的表示電流控制規(guī)律的函數(shù)G。= Gc (ic, is, d)是控制信號采樣值、電感電流采樣值、占空比信號三個變量相關(guān)的函數(shù);化簡G。= Gc (i。,is, d),則數(shù)字電流模調(diào)制方式可由Fm(Z)來表示,不同的數(shù)字電流模調(diào)制方式,F(xiàn)m(Z)的表達式不同,但Fm(Z)的統(tǒng)一表達式可由 D(z) =Fm(Z).(ic(z)-1s(z))來表示,式中,ic(z) = vc(z) ;D(z)、V。(z)、is(z)分別表示占空比、補償后的誤差電壓以及電感電流的采樣值的z域傳遞函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S400中,所述的電壓環(huán)路補償器Gv通常為PI補償器,其s域模型為:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流模控制的開關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,步驟S500中,所述的等效小參量法的具體過程為:(1)基本PWM DC-DC變換器主電路利用時變狀態(tài)微分方程W1(P)Xfg2 (P) = U1和= δ (t) (x^e) ; (2)反饋控制電路的微分方程表示為:g3 (p) Xa+FX1 = U2 ;其中,P = d/dt, gi (p),g2(p),g3(p)為算子p的多項式,是與具體電路有關(guān)的系數(shù)矩陣;X1,X2分別為主電路及控制電路狀態(tài)變量向量;(3)根據(jù)實際電路求解出占空比的表達式d ; (4)將狀態(tài)變量Xi (i = I, 2)、d、δ分別展開為主 項和小量之和的級數(shù)形式,如
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字電流??刂频拈_關(guān)功率變換器的建模及分析方法,其特征在于,通過所建模型采用等效小參量法來分析PWM DC-DC開關(guān)功率變換器閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。
【文檔編號】H02M3/00GK104008231SQ201410193880
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】張慶騫, 陳艷峰, 何雯 申請人:華南理工大學(xué)