基于瞬态归一化的自适应控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于瞬态标准化的自适应控制器、相关的功率变换器以及相关的方法。本发明具体地涉及在自动表征DC/DC变换器的功率级并响应于该表征来调谐补偿器的系统中的DC/DC变换控制器。
【背景技术】
[0002]现有技术系统已经通过借助对用户来说方便和可使用的装置手动调节控制器响应解决了 DC-DC变换器调谐的问题(例如[0])。在[0]中，可以认识到，DC-DC转换功率级具有这样的性能，其导致一种方便的方法，该方法用于按比例调节预先设计的补偿器以使得其开环交叉频率和相位裕度在功率级参数变化时近似保持恒定，适合于由终端用户手动调谐而不必重新设计补偿器。
[0003]自适应控制方法已经被应用于DC-DC变换器调谐的问题。在[3]和[4]中应用了非参数方法，涉及添加正弦波干扰[3]或感应的环路振荡[4]到系统中以测量诸如相位裕度的环路特性。然而，这些方法可能会受到例如在负载点调节应用中可能常见的外部干扰的影响，并且此外，可能会引入对输出电压的显著的干扰而影响调节性能。
[0004]在[5]中，介绍了模型参考脉冲响应方法，其中，提出了两种方法以表征系统的脉冲响应，涉及系统的一次性快速表征和长期统计表征。虽然可以在线使用[5]和[6]中提出的统计方法，但由于所需要的噪声序列的长度，对于许多应用来说收敛时间太长，并且所引入的噪声干扰可能是不希望。[5]中所建议的脉冲摄动方法需要反复引入实验脉冲，同时，实施2-参数搜索以确定调节器参数。这会在调谐期间引入干扰，具有类似于[3、4]关于存在噪声时对外部干扰的灵敏度以及非最佳收敛的缺点。
[0005][7]的控制器示出了能够如何在于前馈控制器中使用LMS滤波器以调谐单个增益，但是没有解决调节器的一般传递函数的自适应控制的问题。该问题在[8]和[9]中得以解决，其中，使用预测误差滤波器(PEF)来基于预测误差的功率的最小化来调谐环路。然而，针对控制器适应的伪开环需求可能导致初始输出电压调节远小于所需要的，并且双参数控制系统可能易于发散，并且因此，不稳定的控制器可能导致某些情况。这些问题在[10]中得以解决，其中，利用PEF来调整两个控制器之间的平衡。但是，仍然存在许多缺陷，例如:
[0006]i)针对预先设计和实现两个控制器的要求对于许多用户来说过于复杂；
[0007]ii)预测误差的迭代最小化花费一些时间，这意味着由于控制器最初过于保守，因此在收敛时间期间对调节进行折衷。
[0008]iii)针对两个固定的控制器中的公共状态变量的要求意味着它们不能是积分控制器，并且改变控制器的积分增益的能力的这种缺乏是保持系统的脉冲响应的限制因素。
[0009]另外，[8]、[9]和[10]都将控制结构的类型限制为具有用于稳态调节的前馈元件的ARMA(零/极/非整数)类型结构。绝大多数控制器是PID，并且在能够自动地调谐或调节PID补偿器而不受限制方面存在明显优势。
[0010]PCT/EP2014/063987涉及一种用于跨越终端用户设计空间(例如，输出电容)调节补偿器的方法以及一种用于终端用户配置补偿器以使得选择最合适的调整值的装置。鉴于在改变功率级参数(例如，电容C)的同时保持原系统的响应是有利的，希望确定补偿器必须改变以便实现类似的响应的方式。也就是说，可以通过下列方式来实现该目的，即，以通常的方式设计一种基础补偿器并且发明一种用于根据例如C的新值来改变补偿以便维持系统性能的装置。已经显示出，这种关系可以被保持，例如，如果以如下方式将PID控制器的比例增益KP、积分增益Ki以及微分增益Kd从原始值改变:
[0011]F = Cnew/C,
[0012]Kinew=Ki*sqrt(F),
[0013]Kdnew = Kd*F，
[0014]Kpnew = Kp*F,
[0015]其中上為和仏表示原始卩加空制器的增益唧’原始的补偿器系数集)，!^^、!^?、Kdnew分别表示用于维持系统响应的改变的值，并且Cnew和C表示体电容的新值和原始值。显然，电容C被用作示例，并且系统不限于这一点，而是也可以以类似的方式调整其它参数(例如，L)的变化。
[0016]“Circuit and method for changing transient response characteristicsof a DC/DC converter module”(美国专利7432692,2008年)。
[0017]Kelly，A.的“A system and Method for Design and Selecting Compensatorsfor a DC-DC Converter”(USPT0临时专利申请，2013年7月)。
[0018]Morroni，J.、R.Zane和D.Maksimovic的“Design and Implementat1n of anAdaptive Tuning System Based on Desired Phase Margin for Digitally ControlledDC-DC Converters，，(Power Electronics，IEEE Transact1ns on, 2009,24(2):p.559-564)0
[0019]Stefanutt i，W.等人的 “Auto tun ing of Digitally Controlled BuckConverters based on Relay Feedback”(Power Electronics Specialists Conference,2005,Recife,Brazil)。
[0020]Costabeber，A.等人的 “Digital Autotuning of DC-DC Converters Based on aModel Reference Impulse Response”(Power Electronics，IEEE Transact1ns on，2011，26(10):p.2915-2924)。
[0021]Miao，B.、R.Zane和D.Maksimovic的“Practical on-line identificat1n ofpower converter dynamic responses”(in Applied Power Electronics Conference,2005,Austin,TX,USA:IEEE)。
[0022]Kelly，A.和K.Rinne的“Control of DC-DC Converters by Direct PolePlacement and Adaptive Feedforward Gain Adjustment”( in Applied PowerElectronics Conference.2005，Austin，Texas:IEEE)。
[0023]Kel ly，A.和K.Rinne的 “A self-compensating adaptive digital regulatorfor switching converters based on linear predict1n”( in Applied PowerElectronics Conference and Exposit1n?2006?APEC7 06?Twenty-First Annual IEEE，
2006)o
[0024]Kelly，A.的 “A self compensating closed loop adaptive control system”(美国专利 7，630，779，USPT0)。
[0025]Kelly，Α.的 “Adaptive control system for a DC-DC power converter”(美国专利申请2010005723)。
[0026]利用PCT/EP2014/063987中公开的调谐方法提供一种合适的控制器，该控制器用于在功率级参数变化时保持DC-DC变换器的系统响应特性，并且与标准PID控制结构兼容。但是，缺少一种用于表征功率级并且用于响应于所表征的功率级自动改变控制器特性的装置。没有现有技术适于执行该表征:快速(例如，理想地响应于调节器的输出端的单一负载阶跃干扰)；不引入附加的干扰;对外部干扰不敏感。
[0027]因此，所需要的是一种将自动表征DC-DC变换器的功率级并且响应于该表征来调谐补偿器的系统。
【发明内容】
[0028]本公开的目的是提供一种用于功率变换器的控制器，该控制器自动地表征DC-DC变换器的功率级，并响应于该表征来调谐补偿器。
[0029]该目的利用根据独立装置权利要求的控制器和根据独立方法权利要求的控制功率级的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的进一步的方面。
[0030]本发明涉及用于根据控制律来控制功率变换器的功率级的控制器，控制律实现特定类型的补偿器并且被预先设计成针对功率级的组件的默认参数值的默认功率变换器产生目标响应。
[0031 ] 该响应可以是对任何环路干扰的响应，例如负载阶跃响应。该响应可以是对到负载的输出电压具有可观察到的影响的任何类型的环路干扰。例如，占空比或电压设定点的干扰也会产生可被设计为目标响应的对输出电压的负载响应。
[0032]控制器被进一步配置成针对功率级的组件的实际参数值确定实际响应，并针对功率级的组件的实际参数值改变控制律，使得实际响应与负载阶跃响应相匹配。控制器通过对实际响应滤波以产生经滤波的实际响应并对经滤波的实际响应与延迟的实际响应的乘积进行积分来确定实际响应与目标响应之间的匹配程度。
[0033]用于对实际响应滤波的滤波器可以包括目标响应的逆滤波器，使得与目标响应完全匹配的实际响应导致除了经滤波的实际响应的第一样本之外的来自滤波器的零输出。
[0034]优选地，延迟的实际响应被延迟一个样本以补偿经滤波的实际响应的第一样本，该第一样本即使在滤波器是目标响应的逆滤波器时也是非零的。因此，通过将实际响应延迟一个样本，产生了针对该响应与目标响应之间的匹配程度的零值。
[0035]控制器还可以进一步配置成通过线性时间不变增益或通过依赖于实际响应的幅度的增益(例如，常数除以实际响应的2-范数(norm))来按比例调节该实际响应与目标响应之间的匹配程度，以改变控制律。经按比例调节的匹配程度可以被提供给补偿器并且相应地用于调谐该补偿器。补偿器可以是PID补偿器。
[0036]因此，控制器在存在干扰时可靠地运行。不需要附加的干扰。为了保留现有DC-DC变换器所希望的系统特征(包括非线性控制特征)，控制器适用于标准的、单个的预先设计的默认补偿器，该补偿器包括诸如PID的积分补偿器。
[0037]控制器可以操作为
[0038]i)系统的一次性在线表征，需要快速系统识别;或者
[0039]ii)适于随时间改变的连续在线操作。
[0040]控制器可以被进一步配置成通过下列方式改变控制律:通过选择多种类型的补偿器中的另一种类型的补偿器以及通过针对功率变换器的组件的实际参数值改变实现其它类型的补偿器的控制律，使得对应于默认功率变换器的其它类型的补偿器的目标响应与实际响应相匹配。
[0041]控制器还可以被配置成针对多种类型补偿器中的一种补偿器和相应的控制律进行优化。
[0042]本发明还涉及一种功率变换器，该功率变换器包括如上所述的控制器以及存储多种类型补偿器的非易失存储器。
[0043]本发