本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种参考输入值的修正方法及采用该方法的可调数字电源装置。
背景技术：
数字电源是为了克服现代电源的复杂性提出的，它实现了数字与模拟技术的融合，提供了很强的适应性和灵活性，具备直接监视，处理并适应系统条件的能力，能够满足几乎任何电源要求。数字电源还可以通过远程诊断以确保系统持续的可靠性，实现故障管理，过压过流保护，自动冗余等功能。由于数字电源的集成度很高，系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多，外围器件少，减少占板面积，简化了设计制造流程。相对模拟控制技术，数字技术的独特优势还包括在线可编程能力，更先进的控制算法，更好的效率优化，更高的操作精度和可靠性，优秀的系统管理和互联功能。数字电源不存在模拟电源中常见的误差，老化，温度影响，漂移，补偿等问题，可以获得一致稳定的控制参数。数字电源的特性使它更容易实现非线性控制和多环路控制等高级控制算法，更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法。
但是，现有的数字电源仍然存在一些问题。对于可调数字电源，需要根据不同需求，输出不同的电压或者电流，而目前单一的控制算法无法满足对所有设定输出电压或电流进行快速响应且超调较小的要求。同时，如何减少装置能量损耗，提高能量利用率也是数字可调电源需要解决的问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种参考输入值的修正方法及采用该方法的可调数字电源装置，通过对pid的参考输入值进行动态调整与修正，提高可调数字电源装置的快速响应能力，避免超调。
本发明提供了一种参考输入值的修正方法，包括：
步骤s1：采用如下算法对可调数字电源装置中的pid参考输入值进行动态调整和修正：
其中，xsp为原始参考输入值，x'sp为修正后的参考输入值，m(t)为参考输入值的调整值，epred(t)为参考输入值与输出响应值误差预测值，emin为原始参考输入值与输出响应值的差值的最小值，emax为原始参考输入值与输出响应值的差值的最大值；
所述参考输入值的调整值为：
m(t)＝m*epred(t)；
其中，m为系统响应系数，所述系统响应系数的取值范围为[0，1]；
所述参考输入值与输出响应值误差预测值为：
其中，s为拉普拉斯复变量，t为时间常数，α为算法调节系数，取值范围为[0,1]，e(s)为参考输入值与输出响应值实际差值e(t)的拉普拉斯变换形式，所述参考输入值与输出响应值实际差值e(t)为：
e(t)＝xsp-x(t)；
其中，x(t)为输出响应值；
步骤s2：将修正后的参考输入值作为可调数字电源装置中的pid控制流程的参考输入值。
传统的控制算法，参考输入值直接作为pid控制算法输入。但是，对于可调的数字电源，参考输入值不断变化时，由于pid控制器系数确定，不能保证系统快速反应，到达稳定状态，并且常常伴有超调，导致开关器件应力过大而损坏。所以，本发明通过采用动态调整与修正方法，对pid控制流程的参考输入值进行动态调整与修正来改善控制器的性能，从而提高系统的快速响应能力。
本发明还提供了一种可调数字电源装置，包括：主功率电路单元、控制电路单元、驱动电路单元和通信单元；
所述控制电路单元通过驱动电路单元与主功率电路单元相连接；
所述控制电路单元通过通信单元与上位机相连接；
所述主功率电路单元包括emi滤波模块、全桥整流电路模块、反激主拓扑模块、rcd漏感尖峰吸收模块和lc滤波模块；
其中，所述emi滤波模块、全桥整流电路模块、反激主拓扑模块与lc滤波模块依次相连接；所述rcd漏感尖峰吸收模块与所述反激主拓扑模块相连接；
所述控制电路单元包括电压采样模块、电流采样模块、电压滤波模块、电压环路补偿模块、pwm调制器模块、过压过流保护模块、控制电源模块和或非门模块；
其中，所述电压采样模块、电压滤波模块、电压环路补偿模块、pwm调制器模块和或非门模块依次相连；
所述电压采样模块和电流采样模块均与所述过压过流保护模块相连接；
所述过压过流保护模块与所述或非门模块相连接；
所述或非门模块与驱动电路单元相连接；
所述控制电源模块为控制电路单元供电；
其中，所述电压环路补偿模块包含动态调整与修正处理子模块；
所述动态调整与修正处理子模块采用如下算法对所述电压环路补偿模块的参考输入值进行处理：
其中，xsp为原始参考输入值，x'sp为修正后的参考输入值，m(t)为参考输入值的调整值，epred(t)为参考输入值与输出响应值误差预测值，emin为原始参考输入值与输出响应值的差值的最小值，emax为原始参考输入值与输出响应值的差值的最大值；
所述参考输入值的调整值为：
m(t)＝m*epred(t)
其中，m为系统响应系数，所述系统响应系数的取值范围为[0，1]；
所述参考输入值与输出响应值误差预测值为：
其中，s为拉普拉斯复变量，t为时间常数，α为算法调节系数，取值范围为[0,1]，e(s)为参考输入值与输出响应值实际差值e(t)的拉普拉斯变换形式，所述参考输入值与输出响应值实际差值e(t)为：
e(t)＝xsp-x(t)；
其中，x(t)为输出响应值。
传统的数字电源控制方式为电流控制方式、电压控制方式或者v2控制方式。而本发明提供的可调数字电源装置通过将电压采样模块、电流采样模块和pwm调制器模块三者并联，实现了改进型v2控制方式，即改进型v2控制方式的控制外环反馈电路与电流控制方式和现有的v2控制方式相同，但是改进型v2控制方式的控制内环反馈信息为变压器原边电流与输出电压的叠加信号。因此，改进型v2控制方式是在电流控制方式的基础上引入了输出电压纹波反馈，或者在v2控制方式的基础上引入了原边电流反馈。故，改进型v2控制方式综合了传统电流控制方式与控制方式两者的优点，使得系统的稳定裕度增加，系统动态性能更加优越，输出电压受负载电流扰动的影响最小，其瞬态性能最好。
进一步的，所述反激主拓扑模块包括变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一mosfet和第二mosfet；
所述第一mosfet的漏极与所述变压器的原边相连接，第一mosfet的栅极与第一电阻的一端相连接，第一mosfet的源极与第一电阻的另一端相连接；
所述第一二极管与第二电阻并联组成第一并联支路；
所述第一并联支路中第一二极管的正极与第一mosfet的栅极相连接；
所述第二mosfet的漏极与所述变压器的副边相连接，第二mosfet的栅极与第三电阻的一端相连接，第二mosfet的源极与第三电阻的另一端相连接；
所述第二二极管与第四电阻并联组成第二并联支路；
所述第二并联支路中中第二二极管的正极与第二mosfet的栅极相连接；
所述第三二极管的正极与第二mosfet的漏极相连接，第三二极管的负极与第二mosfet的源极相连接。
本发明中的反激主拓扑模块与常规的反激主拓扑模块相比较，区别在于，本发明采用mosfet(即金属-氧化物半导体场效应晶体管)代替了常规的整流二极管。由于mosfet导通压降较低，开通损耗减小，且形成同步反激电路，实现零电压导通，有效降低了开关损耗。
进一步的，所述过压过流保护模块包括运算放大器、电压比较器、保护模块二极管、保护模块第一电阻、保护模块第二电阻、保护模块第三电阻、保护模块第四电阻、保护模块第五电阻、保护模块第六电阻、保护模块第一电容、保护模块第二电容、保护模块第三电容、保护模块第四电容、保护模块第五电容和保护模块第六电容；
所述保护模块第一电阻的一端与所述运算放大器的负极输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连；
所述运算放大器的正极输入端用于接收输入信号；
保护模块第二电阻与保护模块第三电阻串联构成第一串联支路；
所述保护模块第一电容一端接地，另一端与第二电阻与第三电阻的中间节点相连接；
所述运算放大器的输出端通过所述第一串联支路与所述电压比较器的正极输入端相连；
保护模块第三电阻与保护模块第二电容并联构成第三并联支路；
保护模块第四电阻与保护模块第三电容并联构成第四并联支路；
所述第三并联支路任意一端与芯片供电电源相连接，另一端与所述电压比较器的负极输入端相连接；
所述第四并联支路任意一端接地，另一端与所述电压比较器的负极输入端相连接；
所述电压比较器的输出端与保护模块二极管正极相连接；
保护模块第五电阻一端与所述保护模块二极管正极相连接；
保护模块第六电阻与保护模块第四电容并联构成第五并联支路；
所述第五并联支路任意一端接地，另一端与所述保护模块二极管负极相连接；
保护模块第五电容一端接地，另一端与所述电压比较器电源负极相连接；
保护模块第六电容一端接地，另一端与所述电压比较器电源正极相连接。
传统的过压过流保护电流只使用电压比较器电路来实现，采集的电流、电压信号可能会掺杂其他干扰信号，导致电路的误保护，从而对电路正常运行造成影响。而本发明中的过压过流保护模块在电压比较器电路的基础上增加了由运算放大器电路构成的射极跟踪器，对采集的电流、电压信号进行加强，过滤干扰信号，从而保护电路的正常运行。
进一步的，所述电压采样模块采用电压传感器实现；
所述电流采样模块采用霍尔电流传感器实现；
所述电压滤波模块采用salley-key二阶有源低通滤波器实现；
所述pwm调制器模块采用dsp控制器的事件管理器模块实现。
为了提高本发明提供的可调数字电源装置的可靠性，上述模块均可以采用现有技术中的设备实现。
进一步的，所述驱动电路单元包括依次相连的光耦隔离模块和推挽输出模块；
其中，所述光耦隔离模块与所述控制电路单元相连接；
所述推挽输出模块与所述主功率电路单元相连接；
所述推挽输出模块采用双电源供电。
相对于传统的推挽输出模块而言，本发明中的推挽输出模块采用双电源供电，使其静态工作点电压为0，消除其静态损耗。
进一步的，通信单元包括依次相连的dsp控制器的sci模块、rs485通信模块；
所述通信单元与上位机采用自定义通讯协议进行数据传输；
其中，所述自定义通讯协议包括帧头、地址位、功能位、收发内容和帧尾；
所述功能位包括发送电压、发送电流和收到给定电压命令。
在本发明中，dsp控制器的sci模块支持半双工和全双工通信，rs485通信模块采用差分信号，支持半双工通信。
进一步的，所述控制电源模块包括依次相连的emi滤波子模块、dc-dc转换子模块和短路保护子模块。
在本发明中，外部220v电源输入控制电源模块后，首先经过emi滤波子模块滤除高频干扰信号，然后通过dc-dc转换子模块输出稳定的±15v电源供pwm调制器模块使用，同时输出稳定的5v电源供数字逻辑使用，以及稳定的3.3v和1.8v电源供dsp使用，短路保护子模块在负载短路时起到保护作用。
有益效果
本发明提供了一种参考输入值的修正方法及采用该方法的可调数字电源装置，本方法通过采用动态调整与修正方法，对pid的参考输入值进行动态调整与修正来改善控制器的性能，从而提高系统的快速响应能力。本装置接受上位机指令，将220v市电转换为0-70v直流进行可调输出，本装置通过在电压环路补偿模块中增加动态调整与修正处理子模块，对pid的参考输入值进行动态调整与修正来改善控制器的性能，提升了装置的瞬态性能，增强了装置的鲁棒性，同时整体上采用改进型v2控制方式，提高了装置的快速响应能力和能耗效率，增强了装置的稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的一种参考输入值的修正方法的算法流程图；
图2是本发明提供的一种可调数字电源装置的结构示意图；
图3是本发明提供的一种可调数字电源装置的反激主拓扑模块结构示意图；
图4是本发明提供的一种可调数字电源装置的过压过流保护模块结构示意图；
图5是本发明提供的一种可调数字电源装置的控制电源模块的电源转换示意图。
具体实施方式
为了方便理解本发明方案的内容，下面结合具体实施例进行进一步阐述。
图1是本发明提供的一种参考输入值的修正方法，采用如下算法对可调数字电源装置中的pid参考输入值进行动态调整和修正：
其中，xsp为原始参考输入值，x'sp为修正后的参考输入值，m(t)为参考输入值的调整值，epred(t)为参考输入值与输出响应值误差预测值，emin为原始参考输入值与输出响应值的差值的最小值，emax为原始参考输入值与输出响应值的差值的最大值；
所述参考输入值的调整值为：
m(t)＝m*epred(t)；
其中，m为系统响应系数，所述系统响应系数的取值范围为[0，1]；
所述参考输入值与输出响应值误差预测值为：
其中，s为拉普拉斯复变量，t为时间常数，α为算法调节系数，取值范围为[0,1]，e(s)为参考输入值与输出响应值实际差值e(t)的拉普拉斯变换形式，所述参考输入值与输出响应值实际差值e(t)为：
e(t)＝xsp-x(t)；
其中，x(t)为输出响应值。
传统的控制算法，参考输入值直接作为pid控制算法输入。但是，对于可调的数字电源，参考输入值不断变化时，由于pid控制器系数确定，不能保证系统快速反应，到达稳定状态，并且常常伴有超调，导致开关器件应力过大而损坏。所以，本发明通过采用动态调整与修正方法，对pid的参考输入值进行动态调整与修正来改善控制器的性能，从而提高系统的快速响应能力。
图2是本发明提供的一种参考输入值的修正方法及采用该方法的可调数字电源装置的结构示意图，如图所示，包括：主功率电路单元100、控制电路单元200、驱动电路单元300和通信单元400；
所述控制电路单元200通过驱动电路单元300与主功率电路单元100相连接；
所述控制电路单元200通过通信单元400与上位机500相连接；
所述主功率电路单元100包括emi滤波模块110、全桥整流电路模块120、反激主拓扑模块130、rcd漏感尖峰吸收模块140和lc滤波模块150；
其中，所述emi滤波模块110、全桥整流电路模块120、反激主拓扑模块130与lc滤波模块150依次相连接；所述rcd漏感尖峰吸收模块140与所述反激主拓扑模块130相连接；
所述控制电路单元200包括电压采样模块210、电流采样模块220、电压滤波模块230、电压环路补偿模块240、pwm调制器模块250、过压过流保护模块260、控制电源模块270和或非门模块280；
其中，所述电压采样模块210、电压滤波模块230、电压环路补偿模块240、pwm调制器模块250和或非门模块280依次相连；
所述电压采样模块210和电流采样模块220均与所述过压过流保护模块260相连接；
所述过压过流保护模块260与所述或非门模块280相连接；
所述或非门模块280与驱动电路单元300相连接；
所述控制电源模块270为控制电路单元200供电；
其中，所述电压环路补偿模块240包含动态调整与修正处理子模块；
所述动态调整与修正处理子模块采用如下算法对所述电压环路补偿模块的参考输入值进行处理：
其中，xsp为原始参考输入值，x'sp为修正后的参考输入值，m(t)为参考输入值的调整值，epred(t)为参考输入值与输出响应值误差预测值，采用超迁补偿器进行预测，emin为原始参考输入值与输出响应值的差值的最小值，emax为原始参考输入值与输出响应值的差值的最大值；
所述参考输入值的调整值为：
m(t)＝m*epred(t)
其中，m为系统响应系数，所述系统响应系数的取值范围为[0，1]，在本实施例中，当m取值为0.2时，可以显著改善系统的动态响应能力；
所述参考输入值与输出响应值误差预测值为：
其中，s为拉普拉斯复变量，t为时间常数，α为算法调节系数，取值范围为[0,1]，e(s)为参考输入值与输出响应值实际差值e(t)的拉普拉斯变换形式，所述参考输入值与输出响应值实际差值e(t)为：
e(t)＝xsp-x(t)；
其中，x(t)为输出响应值。
传统的数字电源控制方式为电流控制方式、电压控制方式或者v2控制方式。而本发明提供的可调数字电源装置通过将电压采样模块、电流采样模块和pwm调制器模块三者并联，实现了改进型v2控制方式，即改进型v2控制方式的控制外环反馈电路与电流控制方式和现有的v2控制方式相同，但是改进型v2控制方式的控制内环反馈信息为变压器原边电流与输出电压的叠加信号。因此，改进型v2控制方式是在电流控制方式的基础上引入了输出电压纹波反馈，或者在v2控制方式的基础上引入了原边电流反馈。故，改进型v2控制方式综合了传统电流控制方式与控制方式两者的优点，使得系统的稳定裕度增加，系统动态性能更加优越，输出电压受负载电流扰动的影响最小，其瞬态性能最好。
如图3所示，所述反激主拓扑模块包括变压器1301、第一二极管1302、第二二极管1303、第三二极管1304、第一电阻1305、第二电阻1306、第三电阻1307、第四电阻1308、第一mosfet1309和第二mosfet1310；
所述第一mosfet1309的漏极与所述变压器1301的原边相连接，第一mosfet1309的栅极与第一电阻1305的一端相连接，第一mosfet1309的源极与第一电阻1305的另一端相连接；
所述第一二极管1302与第二电阻1306并联组成第一并联支路；
所述第一并联支路中第一二极管1302的正极与第一mosfet1309的栅极相连接；
所述第二mosfet1310的漏极与所述变压器1301的副边相连接，第二mosfet1310的栅极与第三电阻1307的一端相连接，第二mosfet1310的源极与第三电阻1307的另一端相连接；
所述第二二极管1303与第四电阻1308并联组成第二并联支路；
所述第二并联支路中中第二二极管1303的正极与第二mosfet1310的栅极相连接；
所述第三二极管1304正极与第二mosfet1310的漏极相连接，第三二极管1304负极与第二mosfet1310的源极相连接。
本发明中的反激主拓扑模块与常规的反激主拓扑模块相比较，区别在于，本发明采用mosfet(即金属-氧化物半导体场效应晶体管)代替了常规的整流二极管。由于mosfet导通压降较低，开通损耗减小，且形成同步反激电路，实现零电压导通，有效降低了开关损耗。
如图4所示，所述过压过流保护模块260包括运算放大器2601、电压比较器2602、保护模块二极管2603、保护模块第一电阻2604、保护模块第二电阻2605、保护模块第三电阻2606、保护模块第四电阻2607、保护模块第五电阻2608、保护模块第六电阻2609、保护模块第一电容2610、保护模块第二电容2611、保护模块第三电容2612、保护模块第四电容2613、保护模块第五电容2614和保护模块第六电容2615；
所述保护模块第一电阻2604的一端与所述运算放大器2601的负极输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连；
所述运算放大器2601的正极输入端用于接收输入信号；
保护模块第二电阻2605与保护模块第三电阻2606串联构成第一串联支路；
所述保护模块第一电容2610一端接地，另一端与第一串联支路的中间节点相连接；
所述运算放大器2601的输出端通过所述第一串联支路与所述电压比较器2602的正极输入端相连；
保护模块第三电阻2606与保护模块第二电容2611并联构成第三并联支路；
保护模块第四电阻2607与保护模块第三电容2612并联构成第四并联支路；
所述第三并联支路任意一端与芯片供电电源相连接，另一端与所述电压比较器2602的负极输入端相连接；
所述第四并联支路任意一端接地，另一端与所述电压比较器2602的负极输入端相连接；
所述电压比较器2602的输出端与保护模块二极管2603正极相连接；
保护模块第五电阻2608一端与所述保护模块二极管正极相连接；
保护模块第六电阻2609与保护模块第四电容2613并联构成第五并联支路；
所述第五并联支路任意一端接地，另一端与所述保护模块二极管2603负极相连接；
保护模块第五电容2614一端接地，另一端与所述电压比较器电源负极相连接；
保护模块第六电容2615一端接地，另一端与所述电压比较器电源正极相连接。
传统的过压过流保护电流只使用电压比较器电路来实现，采集的电流、电压信号可能会掺杂其他干扰信号，导致电路的误保护，从而对电路正常运行造成影响。而本发明中的过压过流保护模块在电压比较器电路的基础上增加了由运算放大器电路(即运算放大器2601、保护模块第一电阻2604和保护模块第二电阻2605)构成的射极跟踪器，对采集的电流、电压信号进行加强，过滤干扰信号，从而保护电路的正常运行。
在本实施例中，所述电压采样模块采用电压传感器实现；所述电流采样模块采用霍尔电流传感器实现；所述电压滤波模块采用salley-key二阶有源低通滤波器实现；所述pwm调制器模块采用dsp控制器的事件管理器模块实现。
所述驱动电路单元包括依次相连的光耦隔离模块和推挽输出模块；其中，所述光耦隔离模块与所述控制电路单元相连接；所述推挽输出模块与所述主功率电路单元相连接；所述推挽输出模块采用双电源供电。相对于传统的推挽输出模块而言，本发明中的推挽输出模块采用双电源供电，使其静态工作点电压为0，消除其静态损耗。
通信单元包括依次相连的dsp控制器的sci模块、rs485通信模块；所述通信单元与上位机采用自定义通讯协议进行数据传输；其中，所述自定义通讯协议包括帧头、地址位、功能位、收发内容和帧尾；所述功能位包括发送电压、发送电流和收到给定电压命令。在本发明中，dsp控制器的sci模块支持半双工和全双工通信，rs485通信模块采用差分信号，支持半双工通信。
在本实施例中，自定义协议的通信波特率为19200bps。协议规定如下：
1、协议中，共有10个字节内容
帧头(1个字节)：0x55
地址位(1个字节)：判断发送目标(上位机0xff,下位机0x01)
功能位(1个字节)：判断发送内容
发送内容(6个字节)：电压或电流值
帧尾(1个字节)：0xaa
2、发送每次命令时，不得使每个字节发送时间间隔过短，否则会导致丢包，程序混乱。推荐相邻间隔时间：1s。
3、为保证用户安全和系统可靠，请上电后5s左右再开始通信。若通信不完成，请检查接线后重新上电。
4、给出命令升至70v约需用时60s。
5、请先接入负载，后开启电源。
6、上电默认10v。
7、通信不正常时，请检查通信接线，推荐加入磁环的屏蔽线进行通信。
所述上位机发送给通信单元的自定义通信协议如下：
协议中，共有10个字节：
帧头(1个字节)：0x55.
地址位(1个字节)：0x01
功能位(1个字节)
0x01：给定下位机电压
0x02：读取下位机电流
0x03：读取下位机电压
第一路电压/电流值(2个字节)
第二路电压/电流值(2个字节)
第三路电压/电流值(2个字节)
帧尾(1个字节)：0xaa。
所述通信单元发送给上位机的自定义通信协议如下：
协议中，共有10个字节：
帧头(1个字节)：0x55.
地址位(1个字节)：0xff(上位机的地址)
功能位(1个字节)：
0x01:发送电压
0x02:发送电流
0x03：收到给定电压命令
第一路电压/电流值(2个字节)
第二路电压/电流值(2个字节)
第三路电压/电流值(2个字节)
帧尾(1个字节)：0xaa。
所述控制电源模块包括依次相连的emi滤波子模块、dc-dc转换子模块和短路保护子模块。
在本实施例中(如图5所示)，外部220v电源输入控制电源模块后，首先经过emi滤波子模块滤除高频干扰信号，然后通过dc-dc转换子模块输出稳定的±15v电源供pwm调制器模块使用，同时输出稳定的5v电源供数字逻辑使用，以及稳定的3.3v和1.8v电源供dsp使用，短路保护子模块在负载短路时起到保护作用。
本发明提供了一种参考输入值的修正方法及采用该方法的可调数字电源装置，本方法通过采用动态调整与修正方法，对pid的参考输入值进行动态调整与修正来改善控制器的性能，从而提高系统的快速响应能力。本装置接受上位机指令，将220v市电转换为0-70v直流进行可调输出，本装置通过在电压环路补偿模块中增加动态调整与修正处理子模块，对pid的参考输入值进行动态调整与修正来改善控制器的性能，提升了装置的瞬态性能，增强了装置的鲁棒性，同时整体上采用改进型v2控制方式，提高了装置的快速响应能力和能耗效率，增强了装置的稳定性。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。