一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法与流程

本发明涉及直流转换器的控制，尤其是一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法。

背景技术：

1、电源作为一切电子产品的供电设备，除了性能要满足供电产品的要求外，其自身的保护措施也非常重要，如过压、过流、过热保护等，一旦电子产品出现故障时，可能引起电子产品的进一步损坏，甚至引起操作人员的触电及火灾等现象，因此，开关电源的过流保护功能一定要完善。

2、反激式转换器作为供电电源的常用拓扑结构之一，电路结构简单，具有电气隔离和开关管驱动容易等优点，广泛用作中小功率电气设备的供电电源，一般通过闭环控制器实现闭环控制；但反激式转换器因开关管周期性的切换工作模式而表现出非线性，且负载的不确定性和线路振荡会严重影响闭环控制器的稳定性；当转换器处于不同静态工作点时，一般线性模型难以解决输出电压稳定性的问题，而且在现有的反激式转换器控制策略中，均未考虑变压器原边绕组出现过流的情况，从而导致变压器可能出现过饱和的现象，不仅使输出的电能出现明显的失真，同时变压器的工作温度也会急剧上升，将引起变压器出现过热、损坏等问题，最终破坏关联的设备。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好的稳态和动态性能的基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，同时能防止变压器原边绕组出现过流。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1)：建立反激式转换器的状态方程，并推导反激式转换器的平均值模型，根据平均值模型利用前向欧拉法得到输出电压预测模型和电感电流预测模型；

4、步骤2)：根据预设的用于控制反激式转换器的输出电压跟踪输出电压参考值的控制目标，建立输出电流未过流时对应的第一成本函数；

5、步骤3)：获取反激式转换器当前预测时刻的变压器直流侧电压、变压器励磁电感电流、反激式转换器的输出电压和反激式转换器的输出电流，获取在当前预测时刻使对应的第一成本函数最小化时的第一最优占空比控制量，将第一最优占空比控制量代入电感电流预测模型得到当前预测时刻的下一时刻的电感电流预测值；

6、步骤4)：设置电感电流过流阈值，将电感电流预测值与电感电流过流阈值进行比较，当电感电流预测值小于电感电流过流阈值时，将第一最优占空比控制量作为反激式转换器的pwm调制模块的当前预测时刻的下一时刻的占空比控制量，pwm调制模块根据当前预测时刻的下一时刻的占空比控制量产生相应的驱动信号控制反激式转换器中的mos管工作，实现对反激式转换器的预测控制；当电感电流预测值大于电感电流过流阈值时，执行步骤5)；

7、步骤5)：基于过流保护的控制目标建立第二成本函数，将当前预测时刻的变压器直流侧电压、变压器励磁电感电流、反激式转换器的输出电压和反激式转换器的输出电流代入第二成本函数后，获取使第二成本函数最小化的第二最优占空比控制量；

8、步骤6)：将第二最优占空比控制量作为反激式转换器的pwm调制模块的当前预测时刻的下一时刻的占空比控制量，pwm调制模块根据当前预测时刻的下一时刻的占空比控制量产生相应的驱动信号控制反激式转换器中的mos管工作，实现对反激式转换器的预测控制。

9、所述的步骤1)中，当反激式转换器的mos管导通时的反激式转换器的状态方程如下：

10、

11、当反激式转换器的mos管关断时的反激式转换器的状态方程如下：

12、

13、其中，l表示变压器励磁电感，表示il关于时间t的导函数，vdc表示变压器直流侧电压，rl表示变压器内阻，il表示变压器励磁电感电流，c表示反激式转换器的输出电容，表示vc关于t的导函数，n表示变压器变比，vc表示反激式转换器的输出电压，io表示反激式转换器的输出电流；

14、整理可得，反激式转换器的平均值模型如下：

15、其中，d表示占空比，采用前向欧拉法对反激式转换器的平均值模型进行离散化，得到输出电压预测模型为：

16、电感电流预测模型为：其中，ts表示采样周期，k为反激式转换器运行时的任一时刻，vdc(k)表示第k时刻的变压器直流侧电压、vc(k)表示第k时刻的反激式转换器的输出电压，il(k)表示第k时刻的反激式转换器的电感电流，io(k)表示第k时刻的反激式转换器的输出电流，vc(k+1)表示第k+1时刻的输出电压预测值、il(k+1)表示第k+1时刻的电感电流预测值。

17、所述的第一成本函数g1为：

18、

19、其中，vcref(k+1)表示预设的第k+1时刻的输出电压参考值，通过对d求偏导数令结果等于0使第一成本函数最小化，将此时得到的d作为第一最优占空比控制量d1，

20、

21、所述的第二成本函数g2为：

22、其中，ilref表示预设的电感电流过流阈值，通过对d求偏导数令结果等于0使第二成本函数最小化，将此时得到的d作为第二最优占空比控制量d2，

23、与现有技术相比，本发明的优点在于首先建立反激式转换器的状态方程，并推导出平均值模型，利用前向欧拉法离散得到输出电压和电感电流的预测模型，然后以控制输出电压跟踪参考值构建第一成本函数，使其最小化得到最优控制量；之后根据电感电流预测模型和最优控制量，预测下一时刻的电感电流，并与设定的电感电流过流阈值进行比较判断是否过流，当预测值小于电感电流过流阈值时，直接将最优控制量传递给pwm调制模块；当预测电流值大于电感电流过流阈值时，以防止过饱和为目标构建第二成本函数重新计算最优控制量；最后pwm调制模块根据最优控制量产生mosfet驱动信号；通过以上预测控制方法，实现了反激式转换器的连续集模型预测控制，通过对输出电压的无静差跟踪，达到了控制输出电压的目标，具有良好的稳态和动态性能，又防止了变压器原边绕组出现过流，避免变压器过饱和现象发生。

技术特征：

1.一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，其特征在于所述的步骤1)中，当反激式转换器的mos管导通时的反激式转换器的状态方程如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，其特征在于所述的第一成本函数g1为：

4.根据权利要求3所述的一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，其特征在于所述的第二成本函数g2为：

技术总结
本发明公开了一种基于连续集模型的反激式转换器的预测控制方法，特点是首先建立反激式转换器的状态方程并推导平均值模型，利用前向欧拉法离散得到输出电压和电感电流的预测模型，然后构建第一成本函数，使其最小化得到最优控制量；之后预测下一时刻的电感电流，并与设定的电感电流过流阈值进行比较判断是否过流，当预测值小于电感电流过流阈值时，直接将最优控制量传递给PWM调制模块，当预测电流值大于电感电流过流阈值时，构建第二成本函数重新计算最优控制量，PWM调制模块根据最优控制量产生MOSFET驱动信号；优点是控制过程具有良好的稳态和动态性能，防止变压器原边绕组过流。

技术研发人员：刘育仁,何国锋,陈鑫,倪燕锋,黄光明,郑士成
受保护的技术使用者：宁波一盛电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15