一种闭环控制方法及直流转换方法及直流转换器与流程

本发明涉及电流及电压闭环控制领域，具体而言涉及一种基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法以及使用该方法的直流-直流转换方法和直流-直流转换器。

背景技术：

电动汽车的蓄电池输出电压和电机额定电压及车载电子设备控制电压不同，若想让蓄电池给电机或车载电子设备供电就需要对蓄电池输出电压进行转换，通常采用直流-直流转换电路。

其中，蓄电池的输出电压，即直流-直流转换电路的输入电压为U_in，直流-直流转换电路的输出电压为U_out。

通常而言，U_out＝k*U_in，其中k为转换系数，可以被人工设定和调整，以使输出电压U_out达到所需要的值，并且输出电压U_out需要保持稳定。

然而，输入电压为U_in并非一个恒定的值，这是因为，随着蓄电池的使用，蓄电池的输出电压会逐渐降低，并且，环境气温对蓄电池的输出电压也具有一定影响，低温时蓄电池输出电压较低，温度高时蓄电池输出电压较高；此外，车辆行驶过程中的振动，以及其他一些不确定因素，对直流-直流转换电路的工作过程也会造成一定的干扰，导致转换系数k会有一定范围的波动。上述因素叠加在一起，使得输出电压U_out也会产生一定的波动，这种波动既具有总体的变化趋势，又具有一定的随机性。

为了保证电机或车载电子设备的工作电压，即直流-直流转换电路的输出电压U_out基本恒定，需要对直流-直流转换过程进行闭环控制。

所述闭环也叫反馈控制系统，是将系统输出量的测量值与所期望的给定值相比较，由此产生一个偏差信号，利用此偏差信号进行调节控制，使输出值尽量接近于期望值。

具体而言，传统的闭环控制方法，主要步骤为：设定闭环上限和下限，若输出电压U_out大于等于闭环上限，则降低转换系数k，若输出电压U_out小于等于闭环下限，则升高转换系数k。

传统方法，原理简单，易于实现，但是也具有一些弊端。因为输出电压U_out一旦触及闭环的上限或下限，就会立即对转换系数k进行降低或升高，可能导致输出电压U_out跳变频繁，偶然因素导致的单次采样结果超标，会引起不必要的修正过程，且输出电压U_out修正时幅度变化不够平稳，容易对用电器产生冲击，影响用电器的寿命。

如果输出电压U_out的偏移具有一定规律，可以根据规律提前预测输出电压U_out，并提前修正转换系数k，以避免输出电压U_out触及闭环的上限或下限，使输出电压U_out更加稳定。但由于输出电压U_out的波动具有不确定性，这种方法不能在所有场合通用。

技术实现要素：

为此，本发明创造的主要目的在于提供一种基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法以及使用该方法的直流-直流转换方法和直流-直流转换器，以达到如下目的：使得闭环控制过程中，被控制值(如电压、电流等)变化过程更为平缓温和，减缓被控制值的波动，被控制值也能够更好地维持在设定值附近。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的一样态，一种基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法，包括以下步骤：设输入值为U_in，输出值U_out，转换系数为k，闭环下限为U₀，闭环标准值为U₁，闭环上限为U₂；已知U_out＝k*U_in，其中k可以被人工设定和调整，以使输出值U_out达到所需要的值；每隔随机时间间隔t，采集一次输出值U_out，从采集第n次起，比较采集到的最近n个U_out与U₁的大小，设大于U₁的U_out的个数为a，小于U₁的U_out的个数为b；如果a>b，调整因子c＝(a-b)/n*(U₂-U₁)/(U₂-U₀)，设置k＝(1-c)*k；或者如果a<b，调整因子c＝(a-b)/n*(U₁-U₀)/(U₂-U₀)，设置k＝(1-c)*k；如此，输出值U_out就会相应发生变化；循环重复以上步骤，即可实现输出值U_out的闭环控制。

根据本发明的二样态，一种直流-直流转换方法，包含下列步骤：步骤S200，软启动，开机后，等待一定时间，之后控制单元根据欲输出的电压，发出全桥驱动信号，所述全桥驱动信号为矩形波；步骤S220，对输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、全桥温度、整流温度进行采样，并使用数字滤波算法对得到的采样数据消除干扰，若输入电压过压、输入电压欠压，输入电流过流，输出电压过压、输出电压欠压，输出电流过流，全桥逆变单元过温，或同步整流单元过温，则关机，等待一定时间后，再开机，返回步骤S220；步骤S230，通过温度、电压闭环算法计算并输出所述全桥驱动信号的占空比，具体步骤为：子步骤S300，若采样温度达到闭环温度，每升1℃降低额定功率10％，子步骤S310，通过根据本发明的一样态所述的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法执行电压闭环控制；返回步骤S220，并同时进入步骤S240；步骤S240，判断是否满足开启同步整流条件，若是，延时开启同步整流，若否，迅速关闭同步整流。

根据本发明的三样态，一种直流-直流转换器，包括：控制单元，根据采集到的数据，通过根据本发明的二样态所述的直流-直流转换方法，对所述直流-直流转换器进行控制；全桥逆变单元、变压单元、同步整流单元，依次串联在直流输入端和直流输出端之间；输入电压采样单元，串联在所述直流输入端与所述控制单元之间，用于向所述控制单元传输输入电压采样数据；输入电流采样单元，串联在所述直流输入端与所述控制单元之间，用于向所述控制单元传输输入电流采样数据；输出电压采样单元，串联在所述直流输出端与所述控制单元之间，用于向所述控制单元传输输出电压采样数据；输出电流采样单元，串联在所述直流输出端与所述控制单元之间，用于向所述控制单元传输输出电流采样数据；全桥驱动单元，串联在所述控制单元与所述全桥逆变单元之间，用于根据从所述控制单元接收到的信号，驱动所述全桥逆变单元工作；全桥温度采样单元，串联在所述控制单元与所述全桥逆变单元之间，用于监测所述全桥逆变单元的温度，并将全桥温度数据传输至所述控制单元；整流驱动单元，串联在所述控制单元与所述同步整流单元之间，用于根据从所述控制单元接收到的信号，驱动所述同步整流单元工作；整流温度采样单元，串联在所述控制单元与所述同步整流单元之间，用于监测所述同步整流单元的温度，并将整流温度数据传输至所述控制单元。

根据本发明的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法，能够使闭环控制过程中，被控制值(如电压、电流等)修正过程更为平缓温和，减缓被控制值的波动，被控制值在触及闭环上限或下限之前就能够得到修正，使被控制值能够更好地保持在设定值附近。本发明的闭环控制方法应用在电压/电流闭环控制过程中，修正电压/电流的过程将会更加平缓温和，并减少不必要的修正过程，使电压/电流更好地维持在设定值附近，达到电压/电流的基本恒定，减少对用电器的冲击，使用电器更加稳定地工作，延长用电器的寿命。

根据本发明的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换方法和直流-直流转换器，提高了电能的能量转换效率，实现了对输入、输出的电压、电流以及转换器的温度实时监控，实现了温度闭环、电压闭环，使电压和电流可以稳定地输出。

附图说明

图1是本发明构思的示例性实施例的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的流程图；

图2是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换器的构成图；

图3是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换方法的流程图；

图4是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的温度、电压闭环控制的流程图；

图5是本发明构思的示例性实施例的未作电压闭环控制时输出电压U_out的曲线图；

图6是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法进行电压闭环控制时的输出电压U_out的曲线图。

具体实施方式

关于本发明创造的详细内容及技术说明，现以实施例来作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为用于示例说明，而不应被解释为本发明创造实施的限制。

例如，电动汽车蓄电池的电压，即本发明实施例的直流-直流转换器的输入电压U_in的初始值为700V，随着蓄电池的使用，电压逐渐降低；已知输出电压U_out＝k*U_in，其中k为转换系数，初始值人工设定为0.05，随着转换过程的运行，有小幅度波动。电压闭环上限U₂为37V，闭环电压设定值U₁为35V，闭环下限U₀为33V。若不对输出电压U_out进行修正，输出电压U_out将会从35V一直偏移到27.23V(如表1第1～4列和图5所示)。

故需要采用本发明的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法对输出电压U_out进行修正。

图1是根据本发明构思的示例性实施例的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的流程图。参照图1，根据本发明的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法，应用于电动汽车的直流-直流转换电路，以对直流-直流转换电路的输出电压U_out进行闭环控制，具体步骤如下：

每隔随机时间间隔t(步骤S10)，采集一次输出电压U_out(步骤S20)，从采集第n次起(步骤S30)，比较采集到的最近n个U_out与U₁的大小，设大于U₁的U_out的个数为a，小于U₁的U_out的个数为b(步骤S40)。

本实施例中，可以设置为t＝0.01+0.005r(秒)，r为0～1之间的随机数，n＝10，即从采集第10次U_out起，比较采集到的最近10个U_out与U₁的大小；

如果a>b(步骤S50)，调整因子c＝(a-b)/n*(U₂-U₁)/(U₂-U₀)(步骤S60)；

如果a<b(步骤S51)，调整因子c＝(a-b)/n*(U₁-U₀)/(U₂-U₀)，(步骤S61)；

否则c＝0(步骤S62)；

设置k＝(1-c)*k，如此一来，输出电压U_out就会相应发生变化(步骤S70)；

循环重复以上步骤，即可实现输出电压U_out的闭环控制(如表1和图6所示)。

参照表1，第1～10行，修正前转换系数k等于原转换系数k；从第11行起，每个采集时刻t时的修正前转换系数k都是上一个采集时刻t时的修正后转换系数k叠加微小扰动后的结果；每个采集时刻t时采集到的输出电压U_out为修正前输出电压U_out，该修正前输出电压U_out为该t时刻修正前转换系数k与输入电压U_in的乘积。

表1

在此，以电压为例进行了说明，以上U_in、U_out、U₁、U₂及U₀也可以适用于电流，以进行电流闭环控制。

蒙特卡洛方法，也称统计模拟方法，是1940年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而提出的一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，是一种使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法。

本发明将蒙特卡洛方法应用在电压(或电流)的闭环控制，通过生成随机数，以随机的时间间隔对输出电压U_out进行采样，并充分考虑到采样结果的随机性，以输出电压U_out分布的概率统计结果为基础，对输出电压U_out进行修正，实现了更为科学的采样覆盖，避免了偶然因素的干扰，使闭环修正过程更为平缓温和。

根据本发明的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法，能够使闭环控制过程中，被控制值(如电压、电流等)修正过程更为平缓温和，减缓被控制值的波动，被控制值在触及闭环上限或下限之前就能够得到修正，使被控制值能够更好地保持在设定值附近。本发明的闭环控制方法应用在电压/电流闭环控制过程中，修正电压/电流的过程将会更加平缓温和，并减少不必要的修正过程，使电压/电流更好地维持在设定值附近，达到电压/电流的基本恒定，减少对用电器的冲击，使用电器更加稳定地工作，延长用电器的寿命。

以上，对根据本发明构思的示例性实施例的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的流程进行了说明。接着，对根据本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换器的工作原理说明如下。

图2是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换器的构成图；图3是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换方法的流程图；图4是本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的温度、电压闭环控制的流程图。

参见图2，根据本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换器的工作原理如下：输入直流电经直流输入端100输入全桥逆变单元101转换为交流电，经过变压单元102升压或降压后，经同步整流单元103整流为直流电，经直流输出端104输出。其中，使能输入端131接收到使能信号，则控制单元130开始工作，控制单元130向全桥驱动单元121输出全桥驱动信号，全桥驱动单元121驱动全桥逆变单元101工作；控制单元130向整流驱动单元122输出同步整流信号，整流驱动单元122驱动同步整流单元103工作。当所述直流-直流转换器工作时，输入电压采样单元111采集直流输入端100的电压数据，并传送至控制单元130；输入电流采样单元112采集直流输入端100的电流数据，并传送至控制单元130；输出电压采样单元115采集直流输出端104的电压数据，并传送至控制单元130；输出电流采样单元116采集直流输出端104的电流数据，并传送至控制单元130；全桥温度采样单元113采集全桥逆变单元101的温度数据，并传送至控制单元130；整流温度采样单元114采集同步整流单元103的温度数据，并传送至控制单元130；控制单元130根据采集到的电压、电流、温度等数据，实时调整全桥驱动信号的占空比，控制同步整流是否开启，以及调整整流驱动信号的占空比。

在此，所述同步整流是指通过整流驱动信号控制整流桥中电流的方向，从而避免常规整流桥中二极管造成的压降，节约能量，提高电能的能量转换效率。

参见图3，详细说明根据本发明构思的示例性实施例的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换器的工作流程。直流输入端100接通直流电，使能信号输入端131接收到使能信号，直流-直流转换器软启动，即等待一定时间(例如2s)，使各组件电压稳定，控制单元130根据欲输出的电压，发出全桥驱动信号，所述全桥驱动信号为矩形波(步骤S200)；输入电压采样单元111采集输入电压，输入电流采样单元112采集输入电流，输出电压采样单元115采集输出电压，输出电流采样单元116采集输出电流，全桥温度采样单元113采集全桥逆变单元101的温度，整流温度采样单元114采集同步整流单元103的温度，控制单元130使用数字滤波算法对得到的采样数据消除干扰，判断是否输入电压过压、输入电压欠压，输入电流过流，输出电压过压、输出电压欠压，输出电流过流，全桥逆变单元过温，或同步整流单元过温(步骤S220)，若有上述情况之一，则关机(步骤S221)，等待一定时间(例如2s)后开机(步骤S222)，再次判断电路是否欠压、过压、过流、过温(步骤S220)。上述步骤起到了保护所述的直流-直流转换器电路，以及保护负载用电器的作用。

根据采集到的全桥温度、整流温度、输出电压、输出电流，根据额定输出的电压、电流与功率，采用闭环算法，控制单元130调整全桥驱动信号的占空比，使温度、电压达到闭环状态(步骤S230)。

重新回到判断电路是否欠压、过压、过流、过温的步骤(步骤S220)，并同时进入判断是否满足开启同步整流的条件的步骤(步骤S240)。

判断是否满足开启同步整流的条件(例如输出电压大于25V，输出电流大于50A)(步骤S240)，若满足，延时开启同步整流(步骤S241)，否则迅速关闭同步整流(步骤S242)。

参见图4，所述温度、电压闭环控制，具体流程如下：首先判断全桥温度或整流温度是否达到闭环温度(步骤S300)，若达到，温度每升高1℃，使额定功率降低10％(步骤S301)，否则执行电压闭环控制(步骤S310)，所述电压闭环控制(步骤S310)即为本发明的基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法(步骤S10～S70)。

根据本发明的使用基于蒙特卡洛方法的闭环控制方法的直流-直流转换方法和直流-直流转换器，提高了电能的能量转换效率，实现了对输入、输出的电压、电流以及转换器的温度实时监控，实现了温度闭环、电压闭环，使电压和电流可以稳定地输出。

上述内容仅为本发明创造的较佳实施例而已，不能以此限定本发明创造的实施范围，即凡是依本发明创造权利要求及发明创造说明内容所做出的简单的等效变化与修饰，皆仍属于本发明创造涵盖的范围。