本发明属于电能变换装置的功率因数校正应用与相关控制技术的技术领域，具体地说，涉及一种含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法。
背景技术：
随着无桥pfc技术的发展，除了对其电路拓扑的广泛研究之外，对其控制策略的研究也是一大热点。而对于无桥pfc控制算法的研究，目前的文献主要集中在电流内环的设计上，常用的算法之一有单周期控制。单周期控制即occ(onecyclecontrol)，属于一种非线性开关控制技术，具有控制方法简单、动态响应快、控制精度高、鲁棒性强的特点，它是通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或者正比于控制参考量。平均输入电流跟踪参考电流且不受负载电流的约束，即使负载电流具有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。它最大的特点是使平均值在一个周期内严格跟踪参考给定，每个周期的开关误差不会带入下一个周期。
在已有的外文文献predictivecurrentcontrolled5-kwsingle-phasebidirectionalinverterwithwideinductancevariationfordc-microgridapplications中，就有提到在一个周期中，一个5kw单相双向逆变器，电感电流的变化是0-32a，由磁化曲线可知，这将导致滤波电感具有宽电感量的变化，从最大值到最小值将大概有7倍的变化，从而影响变换器的大电流纹波和稳定性。
而含非线性电感直接用单周期控制，由于单周期控制的控制参数是调好就固定的，一旦带非线性电感，会导致输出波形质量变差，功率因数降低。因此，有必要研究和设计一个相应的控制器能把这种变化考虑在内，以确保变换器能正常的工作。而采用模糊控制算法与单周期控制算法相结合，可以解决该问题。模糊单周期控制算法能根据变换器当前时刻的状态方程和输出电感电流反馈信号来计算当前开关周期的占空比，对系统参数变动反应灵敏，具有较好的稳态输出特性。同时外环采用pi控制对采样电压与给定电压的误差进行控制，使输出电压的幅值与给定电压较为稳定地变换。通过这两种控制相结合的双环控制，能够很好的结合两者的优点，克服两者的缺点，使输出电压波形与给定电压很好地进行跟踪，输出电压波形质量更好，同时满足较低的输出电压波形畸变率。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法，该方法考虑了滤波电感的非线性，并设计相对应的模糊单周期控制器；解决了单周期控制系统参数无法自动跟随非线性电感变化的问题，具有较好的灵敏性和稳态输出特性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法，提供一含非线性电感双向开关型pfc电路，包括如下步骤，
1)假设在第n个开关周期电感电流连续时，其与输入输出电压关系在开关导通和关断的表达式如下：
其中，vin(n)为第n个开关周期的输入电压，vo为输出参考电压；
在第n个开关周期内电感电流可以表示为
il(n+1)＝il(n)+δi(3)
其中，δi为第n+1个开关周期相对于第n个开关周期的电感电流变化量；
2)由(1)-(3)表达式，得到连续模式下单周期控制占空比的表达式：
其中，ts为开关周期，vo为输出参考电压；
3)对于非线性电感而言，电感的感量与流过电感的电流之间的关系是非线性时变的，那么可以用非线性因子f(il)表示
l＝f(t)il(5)
显然，上式描述的是一个非线性对象，那么可以利用t-s模糊模型的万有逼近能力对其进行模糊化处理；由于il的变化即体现了电感量的变化，而且il是可测也必须测量的，因为计算变换器输出功率大小，过载保护和短路保护等都需要il，因此可以把电感电流il作为前件变量；对于一个具体的逆变器而言其输出电流允许的最大值、最小值已知，即il的论域可以事先确定，假设il∈[ilminilmax]，并取隶属度函数如下所示：
4)含非线性电感双向开关型pfc电路的模糊单周期控制可以用t-s模糊模型表示如下：
rule1：ifil＝ilmin,then
rule2：ifil＝ilmax,then
其中，k1为电感电流最大值时对应模糊单周期控制参数，k2为电感电流最小值时模糊单周期控制器参数；
5)在电感感值最小的时候，调出一组电流内环模糊单周期控制的控制参数k1；在电感感值最大的时候，调出第二组电流内环模糊单周期控制的控制参数k2；从而利用电感电流的大小判断此时电感感值的取值，进而通过t-s模糊控制，自动调整电感感值处于这两个值之间对应的模糊控制参数的表达式如下：
k_random＝m1×k1+m2×k2(9)
此时，所对应的模糊单周期控制的占空比表达式如下：
由此建立了含非线性电感pfc电路的t-s模糊单周期控制的表达式。
在本发明一实施例中，所述含非线性电感双向开关型pfc电路，包括交流电流源ac，开关管s1、s2、s3、s4，二极管d1、d2，电容c1、c2，电阻r1、r2、r3、r4，电感l1，控制芯片；交流电流源ac的正极经电感l1与开关管s1的漏极、二极管d1的阳极、二极管d2的阴极，交流电流源ac的负极接gnd，并与开关管s2的漏极、电容c1的一端、电容c2的一端、电阻r1的一端、电阻r2的一端连接，开关管s1的源极与开关管s2的源极连接，开关管s3的源极与二极管d1的阴极、电容c1的另一端连接，开关管s3的漏极与电阻r1的另一端、电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端经电阻r4连接至gnd，开关管s4的源极与电阻r2的另一端连接，开关管s4的漏极与二极管d2的阴极、电容c2的另一端连接，所述控制芯片的第一ad采集端与交流电流源ac的正极连接，控制芯片的第二ad采集端与电阻r3和r4的连接点连接，控制芯片的第一控制端与开关管s1的栅极、开关管s2的栅极连接，控制芯片的第二控制端与开关管s3的栅极、开关管s4的栅极连接；所述控制芯片内设有与所述含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法相对应的程序。
在本发明一实施例中，所述控制芯片采用tm28027。
在本发明一实施例中，所述控制芯片还连接有由电容c3、电容c4、电阻r5组成的滤波电路。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明控制方法考虑了滤波电感的非线性，并设计相对应的模糊单周期控制器；解决了单周期控制系统参数无法自动跟随非线性电感变化的问题，具有较好的灵敏性和稳态输出特性。
附图说明
图1为本发明pfc控制框图。
图2为双向开关型无桥pfc电路拓扑。
图3为实施例中i的隶属度函数。
图4为负载满载切半载的输入电压电流仿真波形。
图5为负载满载切半载的输出电压电流仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法，提供一含非线性电感双向开关型pfc电路，包括如下步骤，
1)假设在第n个开关周期电感电流连续时，其与输入输出电压关系在开关导通和关断的表达式如下：
其中，vin(n)为第n个开关周期的输入电压，vo为输出参考电压；
在第n个开关周期内电感电流可以表示为
il(n+1)＝il(n)+δi(3)
其中，δi为第n+1个开关周期相对于第n个开关周期的电感电流变化量；
2)由(1)-(3)表达式，得到连续模式下单周期控制占空比的表达式：
其中，ts为开关周期，vo为输出参考电压；
3)对于非线性电感而言，电感的感量与流过电感的电流之间的关系是非线性时变的，那么可以用非线性因子f(il)表示
l＝f(t)il(5)
显然，上式描述的是一个非线性对象，那么可以利用t-s模糊模型的万有逼近能力对其进行模糊化处理；由于il的变化即体现了电感量的变化，而且il是可测也必须测量的，因为计算变换器输出功率大小，过载保护和短路保护等都需要il，因此可以把电感电流il作为前件变量；对于一个具体的逆变器而言其输出电流允许的最大值、最小值已知，即il的论域可以事先确定，假设il∈[ilminilmax]，并取隶属度函数如下所示：
4)含非线性电感双向开关型pfc电路的模糊单周期控制可以用t-s模糊模型表示如下：
rule1：ifil＝ilmin,then
rule2：ifil＝ilmax,then
其中，k1为电感电流最大值时对应模糊单周期控制参数，k2为电感电流最小值时模糊单周期控制器参数；
5)在电感感值最小的时候，调出一组电流内环模糊单周期控制的控制参数k1；在电感感值最大的时候，调出第二组电流内环模糊单周期控制的控制参数k2；从而利用电感电流的大小判断此时电感感值的取值，进而通过t-s模糊控制，自动调整电感感值处于这两个值之间对应的模糊控制参数的表达式如下：
k_random＝m1×k1+m2×k2(9)
此时，所对应的模糊单周期控制的占空比表达式如下：
由此建立了含非线性电感pfc电路的t-s模糊单周期控制的表达式。
所述含非线性电感双向开关型pfc电路，包括交流电流源ac，开关管s1、s2、s3、s4，二极管d1、d2，电容c1、c2，电阻r1、r2、r3、r4，电感l1，控制芯片；交流电流源ac的正极经电感l1与开关管s1的漏极、二极管d1的阳极、二极管d2的阴极，交流电流源ac的负极接gnd，并与开关管s2的漏极、电容c1的一端、电容c2的一端、电阻r1的一端、电阻r2的一端连接，开关管s1的源极与开关管s2的源极连接，开关管s3的源极与二极管d1的阴极、电容c1的另一端连接，开关管s3的漏极与电阻r1的另一端、电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端经电阻r4连接至gnd，开关管s4的源极与电阻r2的另一端连接，开关管s4的漏极与二极管d2的阴极、电容c2的另一端连接，所述控制芯片的第一ad采集端与交流电流源ac的正极连接，控制芯片的第二ad采集端与电阻r3和r4的连接点连接，控制芯片的第一控制端与开关管s1的栅极、开关管s2的栅极连接，控制芯片的第二控制端与开关管s3的栅极、开关管s4的栅极连接；所述控制芯片内设有与所述含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法相对应的程序。所述控制芯片采用tm28027。所述控制芯片还连接有由电容c3、电容c4、电阻r5组成的滤波电路。
以下为本发明的具体实施过程。
本发明主要研究在线式ups系统双向开关型无桥pfc电路的控制算法，其主电路结构如图2所示。
本发明方法的pfc控制框图如图1所示。
仿真验证：
为了验证本发明方法的可行性，以双向开关型无桥pfc电路为例，在psim下进行仿真实验。仿真结果验证了所提出的模糊单周期控制方法的效果。
仿真参数选取如下：
输入变量i的隶属度函数如图3所示。
图4为非线性电感pfc电路在模糊单周期控制下的输入电压电流仿真波形，负载在0.25s处由满载切换到半载。由图可以验证，所提出的模糊单周期控制方法的有效性。
图5显示了模糊单周期控制下，负载由满载切换到半载，非线性电感pfc电路在所提出的控制方法下的输出电压电流仿真波形。可以看到，本发明提出的非线性电感pfc电路的模糊单周期控制能很好的拟合非线性电感下变换器的特性。同时采用本发明的控制方法之后，在切换负载前后t-s模糊单周期控制算法的输出电压波形质量良好，说明所采用的t-s模糊单周期控制方法也适用于线性负载切换的情况。
上述实施例的结果显示，本发明的含非线性电感pfc电路的模糊单周期控制方法，考虑了滤波电感的非线性，并设计相对应的模糊单周期控制器输出波形的质量。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。