[發明專利]開關式DC-DC變換器的數字預測控制系統與方法

無效

• 申請號: 201010260343.3
• 申請日: 2010-08-23
• 公開（公告）號: CN101917118A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 徐申;陳寧;孫大鷹;李青乘;孫偉鋒;陸生禮;時龍興
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M3/157
• 分類號: H02M3/157;G05B13/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 奚幼堅

技術領域

本發明涉及開關式DC-DC變換器，尤其涉及一種開關式DC-DC變換器的數字預測控制系統與方法，該控制系統可以有效補償數字控制過程中的環路時延，提高系統的動態性能。

背景技術

DC-DC變換器通常作為各類用電設備的終端電源，可將未調整的直流輸入電壓變換為調整后的直流輸出電壓。現有模擬電源控制系統通常采用分立元器件組成的硬件電路實現對系統的控制和補償，由于元器件易受溫度、濕度、老化等因素的影響，并且對于高性能的電源控制器，硬件電路復雜，實現困難，系統性能得不到保證。數字電源控制系統由于其硬件可編程的特點，對系統的控制和補償通過軟件算法實現，其設計不受外部硬件的影響，在可靠性、靈活性、可監測性等方面上優于同類模擬控制系統。但是，由于數字控制系統在A/D采樣、量化、數據處理、控制方法和DPWM生成的過程中存在環路時延，數字控制系統的動態性能往往差強人意。

發明內容

為了提高數字控制系統的動態性能，需要提出克服數字控制系統存在的控制延時的方法。通常數字控制的方法是將輸出電壓通過采樣電路和模數轉換芯片變換為數字信號的電壓實測值，并據此計算并輸出控制功率管的PWM，以實現輸出電壓的調整，如此循環保證DC-DC變換器的正常工作。

針對數字控制系統存在的一個采樣周期的滯后時延問題，本發明提供一種采用數字預測方法的開關式DC-DC變換器控制系統，通過增加預測模塊實現控制延時的完全補償，預測模塊根據前一周期和當前周期的輸出電壓實測值，通過預測方法得到下一周期的輸出電壓預估值，從而解決數字控制系統存在的控制延時的問題。這對數字控制系統的動態性能和穩定性都是有利的。

為實現上述發明目的，本發明采取的技術方案是：

一種開關式DC-DC變換器的數字預測控制系統與方法，其特征在于：該控制系統包括：采樣和A/D轉換模塊、預測模塊、控制算法模塊以及DPWM模塊，上述模塊與受控的開關電源連接起來，構成一個閉環系統。采樣和A/D轉換模塊對開關電源主功率電路當前采樣周期的輸出電壓進行檢測并轉換為數字信號，將該實測值的數字信號作為預測模塊的輸入，預測模塊根據前一周期和當前周期的輸出電壓實測值，通過預測方法，得到下一周期的輸出電壓預估值，以補償數字控制系統存在的控制延時；

預測模塊的方法是：在第k采樣周期時(k＞0)，利用前幾周期和當前周期的輸出電壓實測值，采取線性外推法，估算出第k+1采樣周期的輸出電壓值y^*(k+1)，即：y^*(k+1)＝2×y(k)-y(k-1)。此后，用預估值y^*(k+1)與給定電壓V_ref通過比較器得到k+1采樣周期的預估偏差e^*(k+1)，用實測值y(k)與給定電壓V_ref通過另一個比較器得到k采樣周期的實測偏差e(k)。控制算法模塊根據第k采樣周期的實測偏差e(k)、第k+1采樣周期的預估偏差e^*(k+1)選用合適的控制算法，計算出k+1采樣周期的功率管占空比輸入至DPWM模塊，在每個采樣周期的開始時更新控制算法模塊提供的功率管占空比控制量，并根據該占空比控制量和設置的死區時間生成控制開關電源功率管通斷的PWM信號，輸入到開關電源主功率電路中，主功率電路由上述PWM信號控制功率管的通斷狀態，從而調整開關電源輸出電壓，將此輸出電壓經采樣模塊再一次被采樣和A/D轉換模塊獲取，依次經過預測模塊、控制算法模塊和DPWM模塊形成新的PWM信號控制功率管。如此循環保證控制系統的穩定。

預測模塊采用的數字預測方法具體做法是：

1)在第k采樣周期的開始，采樣和A/D轉換模塊獲取輸出電壓的實測值y(k)；

2)將其導入預測模塊計算出y^*(k+1)，并將y^*(k+1)、y(k)分別與給定電壓V_ref比較得到k+1采樣周期的預估偏差e^*(k+1)和k采樣周期的實測偏差e(k)；

3)將e^*(k+1)和e(k)導入控制算法模塊計算出功率管占空比的增量Δd(k+1)，并與k周期的占空比控制量相加，得到k+1采樣周期的占空比d(k+1)；

4)檢測d(k+1)，如果滿足0≤d(k+1)≤1的范圍限制要求，通過DPWM模塊在k+1采樣周期的開始生成PWM信號，否則以下限0(或上限1)輸出PWM信號；