一种Buck类变换器的恒流控制方法及系统与流程

一种buck类变换器的恒流控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电路控制领域，特别是涉及一种buck类变换器的恒流控制方法及系统。


背景技术：

2.由于功率变换器中，大部分的非线性干扰是来自于电力电子器件、开关变换器等，buck类变换器也是一类典型的非线性系统。很多研究人都已发现功率变换器的非线性特征，并且做了大量的研究工作。目前已有的研究成果主要有两个方面：1.对电力电子变换器运行时存在的次谐波振荡、低频纹波、降频现象、倍周期分岔、间歇和混沌等非线性动力学现象进行实验研究，并建立相应的各种非线性电路模型解释内在的物理机理，相应地，人们认识到传统的小信号分析得到的线性数学模型在解释此类物理现象时存在很大的偏差。2.在非线性模型基础上，运用非线性控制领域的各种控制方法对功率变换器开展了很多基于电路模型的控制研究，其中包括滑模变结构控制、无源型控制、自适应控制等，除此之外，也存在一些不基于模型的非线性控制方法，例如模糊、神经系统等。
3.但对于buck类电路，大多数研究以仿真为主，由于算法复杂，极少应用到工程实践中，电力电子变换器无电解电容化的需求日趋旺盛，然而在两级结构中，前级输出电容小通常会对后级引入严重的两倍工频纹波，两倍工频纹波分量导致后级的dc/dc(direct current，直流电)变换器的变换效率降低，导致电路的输出电压电流的不稳定等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种buck类变换器的恒流控制方法及系统，可消除输入两倍工频纹波，实现buck类变换器的稳定恒流控制。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种buck类变换器的恒流控制方法，所述buck类变换器包括直流电源、开关管、电感、电容及电阻，所述buck类变换器的恒流控制方法包括：
7.采集所述buck类变换器的输入电压、输出电压及输出电流；
8.基于pi控制器，根据所述输入电压、输出电压、输出电流及参考电流，确定所述开关管的占空比。
9.可选地，根据以下公式，确定开关管的占空比：
[0010][0011]
其中，d
eq
为开关管的占空比，k为占空比倍数，u
in
为buck类变换器的输入电压，uo为buck类变换器的输出电压，io为buck类变换器的输出电流，i
ref
为参考电流，k
p
为比例系数，ki为积分系数，r为电阻值，l为电感值，c为电容值，δd为占空比损失，δd《0，t为时刻。
[0012]
可选地，在所述buck类变换器的拓扑结构为buck电路或正激电路时，占空比倍数k＝1。
[0013]
可选地，在所述buck类变换器的拓扑结构为推挽电路、半桥电路或全桥电路时，占空比倍数k＝2。
[0014]
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
[0015]
一种buck类变换器的恒流控制系统，所述buck类变换器包括开关管、电感、电容及电阻，所述buck类变换器的恒流控制系统包括：
[0016]
数据采集单元，与所述buck类变换器连接，用于采集所述buck类变换器的输入电压、输出电压及输出电流；
[0017]
控制单元，与所述数据采集单元及所述开关管连接，用于基于pi控制器，根据所述输入电压、输出电压、输出电流及参考电流，确定所述开关管的占空比。
[0018]
可选地，根据以下公式，确定开关管的占空比：
[0019][0020]
其中，d
eq
为开关管的占空比，k为占空比倍数，u
in
为buck类变换器的输入电压，uo为buck类变换器的输出电压，io为buck类变换器的输出电流，i
ref
为参考电流，k
p
为比例系数，ki为积分系数，r为电阻值，l为电感值，c为电容值，δd为占空比损失，δd《0，t为时刻。
[0021]
可选地，在所述buck类变换器的拓扑结构为buck电路或正激电路时，占空比倍数k＝1。
[0022]
可选地，在所述buck类变换器的拓扑结构为推挽电路、半桥电路或全桥电路时，占空比倍数k＝2。
[0023]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：采用pi控制的方式，根据buck类变换器的输入电压、输出电压、输出电流及参考电流，确定开关管的占空比，消除了buck类变换器的两倍工频纹波，进而实现了对buck类变换器的稳定恒流控制的目的。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为buck类变换器的电路图；
[0026]
图2为本发明buck类变换器的恒流控制方法的流程图；
[0027]
图3为本发明buck类变换器的恒流控制系统的结构示意图。
[0028]
符号说明：
[0029]
buck类变换器-1，直流电源-11，开关管-12，变压器-13，电感-14，二极管-15，电容-16，电阻-17。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
本发明的目的是提供一种buck类变换器的恒流控制方法及系统，通过pi控制的方式，根据buck类变换器的输入电压、输出电压、输出电流及参考电流，确定开关管的占空比，消除了变换器的两倍工频纹波，进而实现了恒流控制的目的。
[0032]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0033]
本发明对buck类变换器进行恒流控制，如图1所示，buck类变换器1包括直流电源11、开关管12、变压器13、二极管15、电感14、电容16及电阻17。其中，直流电源11的正极与开关管12的一端连接，直流电源11的负极与变压器13的第一端连接，开关管12的另一端与变压器13的第二端连接。二极管15的正极分别与变压器13的第三端及电容16的一端连接，二极管15的负极分别于变压器13的第三端及电容16的一端连接。电感14的另一端与电容16的另一端连接，电阻17与电容16并联连接。
[0034]
如图2所示，本发明buck类变换器的恒流控制方法包括：
[0035]
s1：采集所述buck类变换器1的输入电压、输出电压及输出电流。
[0036]
s2：基于pi控制器，根据所述输入电压、输出电压、输出电流及参考电流，确定所述开关管的占空比。
[0037]
优选地，根据以下公式，确定开关管12的占空比：
[0038][0039]
其中，d
eq
为开关管的占空比，k为占空比倍数，u
in
为buck类变换器的输入电压，uo为buck类变换器的输出电压，io为buck类变换器的输出电流，i
ref
为参考电流，k
p
为比例系数，ki为积分系数，r为电阻值，l为电感值，c为电容值，δd为占空比损失，δd《0，t为时刻。
[0040]
具体地，占空比倍数k的取值根据buck类变换器的拓扑结构决定。在本实施例中，在buck类变换器的拓扑结构为buck电路或正激电路时，占空比倍数k＝1。在buck类变换器的拓扑结构为推挽电路、半桥电路或全桥电路时，占空比倍数k＝2。
[0041]
具体地，步骤s2中，首先根据buck类变换器的拓扑结构建立非线性模型：
[0042][0043]
得到：
[0044][0045]
其中，i
l
为电感14处的电流，及均为电感14处的电流i
l
的一阶导数，l为电感值，u
in
为buck类变换器的输入电压，uo为buck类变换器的输出电压，为buck类变换器的
输出电压uo的一阶导数，c为电容值，r电阻值，io为buck类变换器的输出电流，d为buck类变换器中单个开关管的占空比。开关管的等效占空比d
eq
＝kd+δd。
[0046]
处于恒流控制的考虑，选取输出电流的误差i
o-i
ref
为输出变量，可得到buck类dc/dc变换器的单输入单输出仿射非线性系统的标准形式：
[0047][0048]
其中，x＝[x1,x2]＝[i
l
,io]为状态变量，为状态变量x的一阶导数，u为控制变量u＝d，i
ref
为参考电流，y和为λ(x)为输出函数。
[0049][0050]
采用以下公式，对仿射非线性系统进行输入输出线性化，重复对y进行微分，直至u首次出现：
[0051][0052]
其中，(李导数)，r是使的最小整数。
[0053]
当r＝1时，
[0054][0055]
由于公式中未出现u，因此再次求李导，此时r＝2：
[0056][0057]
从而有：
[0058][0059]
另则
[0060]
由上可知仿射非线性系统的相对阶为r＝2，与boost型电路不同，buck型电路的相对阶与系统维数相等，仿射非线性系统的标准形式反应了系统的全部动态，即经状态反馈后所有的状态变量都是能观的，不存在可能导致系统不稳定的问题。
[0061]
进一步定义如下的坐标变换以及反馈变换：
[0062]
令令
[0063][0064]
由此，将非线性控制问题转化为线性控制问题。
[0065]
采用pi控制的方式对buck类变换器进行恒流控制，令：
[0066]
v＝-k
p
(i
o-i
ref
)-ki∫(i
o-i
ref
)dt；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0067]
其中，i
o-i
ref
为电流误差，k
p
为比例系数，ki为积分系数，目的是使系统的稳态误差最小。
[0068]
将公式(14)代入公式(10)可得：
[0069][0070]
由于公式(15)中的控制需要检测i
l
、io、uo、u
in
四个电气量，实际应用中既浪费又繁琐。而pi中已经包含了项，因此，公式(15)可简化为：
[0071][0072]
在实际操作中，只需采集输入电压u
in
、输出电压uo及输出电流io，无需采集点感触的电流i
l
，降低了恒流控制方法的复杂度。通过除以输入电压u
in
，消除了两倍工频纹波。
[0073]
如图3所示，本发明buck类变换器的恒流控制系统包括数据采集单元2及控制单元3。
[0074]
其中，所述数据采集单元2与所述buck类变换器1连接，所述数据采集单元2用于采集所述buck类变换器1的输入电压、输出电压及输出电流。
[0075]
所述控制单元3与所述数据采集单元2及所述开关管12连接，所述控制单元3用于基于pi控制器，根据所述输入电压、输出电压、输出电流及参考电流，确定所述开关管12的占空比。
[0076]
具体地，根据以下公式，确定开关管12的占空比：
[0077][0078]
其中，d
eq
为开关管12的占空比，k为占空比倍数，u
in
为buck类变换器的输入电压，uo为buck类变换器的输出电压，io为buck类变换器的输出电流，i
ref
为参考电流，k
p
为比例系数，ki为积分系数，r为电阻值，l为电感值，c为电容值，δd为占空比损失，δd《0，t为时刻。
[0079]
相对于现有技术，本发明buck类变换器的恒流控制系统与上述buck类变换器的恒流控制方法的有益效果相同，在此不再赘述。
[0080]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0081]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。