CN106526299A - 一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法。首先，对电路的输出电压v₀进行采样，并根据主电路回路建立电感电流i_L和输出电压v₀的数学模型；然后，基于数学模型，利用非光滑技术构造电流观测器，并保证电流观测误差的收敛性，从而最终实现了对Buck变换器中电感电流的观测；最后，基于DSP平台数字化实现该方法。由于非光滑观测器中的分数幂项，能够有效提高观测***的收敛性能和抗扰动性能，进而可以对电流信号实现快速且精确的实时观测。该电流观测器结构简单易，容易实现，解决了一般电流观测器中出现的不精确、振荡以及易受干扰等问题。

Description

一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法

技术领域

本发明涉及功率变换器中的电流检测技术，具体是利用非光滑观测方法和离散化技术来实现对电流的快速、高精度的估计。

背景技术

随着微电子技术的发展，在各种电力电子器件中，低电压器件的应用越来越广泛，对于降压变换器输出电流的要求也越来越高。降压变换器是一种通过将高压直流电变为低压直流电，从而给负载提供稳定的直流电压的功率变换器。

根据上述所说功率变换器的技术领域，设计一种能够精确检测电流的方法具有重要的实际和工程意义。目前，功率变换器中的电流检测方法有以下几种：a.采用在电感旁穿小电阻的，通过检测小电阻两端的电压差实现对流过小电阻的电流检测，这种方法虽然电路简单但缺点是检测电阻上产生的电压会对电路的计算产生误差且难以集成于芯片内部；b.基于运算放大器的电路特性，即虚短和虚断应用到检测电流中，优点是电流检测精度高，但是存在带宽的限制，响应速度较慢的缺点；c.滤波器检测技术，测量的是平均电流，不能实现对电感电流的实时监测，也没有过流保护的功能。d.采用小量程霍尔电流传感器，虽然电路较为简单，但存在成本高，主控电路需要隔离，易受外电路干扰产生误差等缺点；e.采用电流互感电路，虽然成本较低，电路简单，但缺点是主控电路需要隔离且检测结果不准确。

对比上述情况，每种检测方法都存在着自身的优缺点，而在实际应用中，电路会处在不同的干扰环境下。此时，这些方法难以达到理想的实时检测效果。基于此，本发明提出了一种基于非光滑观测技术的电流检测方法，能有效的抑制一定范围内***模型不确定和外界干扰的影响，实现电流的快速检测。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题，提供了一种精度较高，安全性好，成本低，抗干扰能力强，并且适用于功率变换器领域上的电流信号的实时检测。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，包括以下三个步骤：

步骤一：建立Buck变换器的数学模型；

步骤二：根据非光滑观测技术，设计电流观测器；

步骤三：电流观测器的数字化实现。

具体地，所述步骤一中建立Buck变换器的数学模型：列出电感电流i_L的微分方程和输出电压v₀微分方程

其中：μ为开关状态；V_in为输入电压值；L是电感；C是电容，R是电阻。

考虑到变换器存在内部和外部扰动，可将以上模型精确表示如下：

其中，其中V_in0、L₀、R₀、C₀是实际检测出来的常数值，ΔV_in0、ΔL、ΔR、ΔC分别表示其对应的扰动不确定因素，ξ₁(t)和ξ₂(t)具体的表达式如下：

利用变换器的输出电压即可实现对电流的观测。

进一步，通过对Buck变换器的输出电压v₀进行采样，采用PID控制器，实现对开关管导通和关断的控制，进而控制电感电流i_L和输出电压v₀。

具体地，所述步骤二：根据非光滑观测技术，设计电流观测器：

其中，K₁、K₂为观测器增益，输出电压观测值，为电流观测值；sig^α(x)＝sign(x)|x|^α,α>0，且m₁＝1+τ,m₂＝1+2τ，

进一步，在设计电流观测器时，采用离散化方法，可将观测器方程写成：

其中，和表示观测的输出电压v₀和电感电流i_L的状态值，和表示v₀和i_L的后一个状态，这里可取v₀(1)＝0，

当时，上述观测器退化为滑模观测器，即:

具体的，所述步骤三中电流观测器的具体实现包括两个部分：包括硬件部分和软件部分。

进一步，硬件部分为搭建功率变换器主电路模块、数据采集模块、保护和驱动电路模块。功率变换器主电路模块如图1所示，包括二极管VD、电感L、负载电阻R、电容C以及电源U_i和开关V，所述开关V采用效率较高适用于开关电源中的MOSFET场效应管；所述数据采集模块是通过数据采集卡实现步骤一中输出电压信号v₀的采集，由于DSP中ADC使用的内部基准电压是3.3V，可采集电压信号范围为0～3.3V，为使输出电压值满足采样条件，需要对输出电压进行分压后采集，这里采用先串联后并联到负载的方法，即在负载端串联一个小电阻后并联一个稳压二极管；所述保护电路模块包含过压过流保护，以及相应的隔离措施以减小由外界环境干扰而造成的误差。所述驱动电路模块为三极管IGBT的驱动，本文中驱动模块采用的是东芝公司生产的TLP250驱动器，具有隔离和驱动的功能，输入信号为DSP的PWM输出。

进一步，软件部分是根据步骤二的表达式，以DSP为整个算法的控制核心，采用TI公司生产的TMS320F28335DSP芯片，在该平台上编写相应的控制算法，来实现对电流的实时观测。上述具体步骤为：首先利用数据采集卡将采集到的电压信号v₀传送给TMS320F28335DSP，进行A/D转换，其次以数字化的v₀作为输入，和作为电压电流的状态变量，利用离散化方法，编写电流观测器的控制算法，并运用PI控制来减小超调，最终实现对电路信号的观测。由于DSP具有快速强大的运算功能，且受外部环境影响较小，能够满足实现对电流信号快速且精确的实时观测。

本发明的有益效果：

1、本发明设计的电流检测方法，运用非光滑观测技术，能有效的抑制一定范围的***模型和外界干扰的作用，与此同时能有效跟踪检测的目标，且具有较好的鲁棒性和适应性。

2、本发明设计的电流检测方法，运用离散化技术，其原理简单，不需要硬件传感器，且对电流的预测精度较高，成本较低。

附图说明

图1为本发明降压变换器的电路原理图；

图2为本发明实现的总体设计方案结构框图；

图3为观测器对电感电流的观测曲线图；

图4为图3中观测曲线的局部放大图；

图5为电感电流的观测值与实际值之间误差图；

图6为观测器对输出电压的观测曲线图；

图7为图6中观测曲线的局部放大图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法。该方法是将Buck功率变换器作为广义的控制对象，实现对电流信号的精确观测。整个***由Buck主电路模块和观测模块两个模块组成。主电路模块是由Buck电路和PID反馈控制构成，其中PID控制器实现对降压变换器输出控制。观测模块主要是实现对电流的观测。首先，通过对电路的输出电压v₀进行采样，并根据主电路回路建立电感电流i_L和输出电压v₀的数学模型；然后，基于数学模型，利用非光滑技术构造电流观测器，并保证电流观测误差的收敛性，从而最终实现了对Buck变换器中电感电流的观测。由于非光滑观测器中的分数幂项，能够有效提高观测***的收敛性能和抗扰动性能，进而可以对电流信号实现快速且精确的实时观测。该电流观测器结构简单易，容易实现，解决了一般电流观测器中出现的不精确、振荡以及易受干扰等问题。

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

步骤一、建立功率变换器电路模型

如图1所示，功率变换的电路原理图，以Buck电路为例，由于可控开关管存在“开通”和“关断”两种状态，对应变换器也存在两种工作模态：

(1)当开关V开通时，功率变换状态可以描述为：

(2)当开关V关断时，功率变换器状态可以描述为：

根据以上(1)和(2)两种情况，可以列出功率变换器的一种平均状态，可以描述为：

其中，μ表示开关状态，用“0”和“1”分别表示开关的开通和关断状态。

考虑到变换器存在内部和外部扰动，将上述模型精确表示如下：

其中，V_in0、L₀、R₀、C₀是实际检测出来的常数值，ΔV_in0、ΔL、ΔR、ΔC分别表示其对应的扰动不确定因素，经变换，可将上述表达式表示为：

其中，ξ₁(t)和ξ₂(t)是将扰动项提取出来后的表达式，具体的表达式如下：

本发明中，对开关管的控制是通过对Buck变换器的输出电压v₀进行采样，采用PID控制，实现对开关管导通和关断的控制，进而控制电感电流i_L和输出电压v₀。

图2给出了整个功率变换器电流检测方案的框图，包括Buck功率变换器的主电路，以及电流观测两个模块，通过对输出电压v₀进行采样，设计电流检测方案，实现对Buck变换器电感电流的精确观测。

步骤二、根据非光滑观测技术，设计电流观测器

针对如图2所示的Buck功率变换器，设计功率变换器的电流检测器为：

其中，τ为非光滑指数，越靠近-1/2，表明非光滑程度越高，m1、m2是由τ决定的非光滑系数，这里m₁＝1+τ，m₂＝1+2τ， 输出电压观测值；sig^α(x)＝sign(x)|x|^α,α>0，时，上述观测器退化为滑模观测器，即：

本发明在设计电流观测器时，采用离散化方法，可将观测器方程写成：

其中，和表示观测的输出电压v₀和电感电流i_l的状态值，和表示v₀和i_L的后一个状态；本发明实施例中取v₀(1)＝0，

实施例：电流检测器的仿真实现

功率变换器的仿真是基于Matlab环境下的M函数，编写C语言程序，运行得到数值表并进行分析，利用m函数使得算法结果更精确，且有着计算量小，计算过程方便等优点。

本发明实施例中，τ＝-2/7，则m₁＝5/7，m₂＝3/7，K₁＝3，K₂＝1，L＝3.3×10^-4H，V_in＝30V，C＝10^-3F，R＝50Ω，输出电压参考值V_ref＝15V。

图3给出了功率变换器电流检测对Buck电路电感电流的检测，通过离散化处理，对5001个采样点进行采样，周期5s，图中虚线代表电流观测值实线代表电感电流的真实值i_L，图4为图3的局部放大图，从仿真图可以看出，观测值与实际值之间趋势保持一致。图5为观测值与电流实际值之间的误差曲线图，图中可以看出在一个仿真周期内，电流误差小于0.003A，观测结果较为准确。

图6还给出了观测器对变换器输出电压的观测，虚线为观测的输出电压值，实线为输出电压真实值，图7是图6的局部放大图，从仿真图中可以看出检测值与输出电压的总体方向是一致的。

综上所述，本发明将功率变换器作为广义的研究对象，以Buck变换器为例，考虑到外部和内部扰动情况，分析电感电流和输出电压之间的关系，得出电感电流i_L和输出电压v₀的数学模型，基于得到的数学模型，利用非光滑观测技术，设计电流观测器，对Buck变换器中的电感电流进行观测，通过调节参数，实现对电感电流的快速精确观测，且能在有限时间内有效的抑制一定范围的***模型和外界干扰作用，与此同时能有效跟踪检测的目标，且其具有较好的鲁棒性和适应性。本发明的方法同样适用于Boost变换器，并且同样适用于对电压的检测。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过对Buck功率变换器的输出电压v₀进行采样，加入外部扰动和内部扰动后，建立电感电流i_L和输出电压v₀的数学模型；

步骤2：根据非光滑观测技术，利用所述电感电流i_L和输出电压v₀的数学模型设计电流观测器；调节观测器参数，实现对电感电流的快速精确检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，步骤1中所述数学模型的表达式为：

${\stackrel{\·}{i}}_L=\frac{\mathrm{\μ}(V_{in0}+{\mathrm{\ΔV}}_{in0})-v_0}{L_0+\mathrm{\Δ}L}$

${\stackrel{\·}{v}}_0=\frac{i_L-v_0/(R_0+\mathrm{\Δ}R)}{C_0+\mathrm{\Δ}C}$

其中，V_in0、L₀、R₀、C₀是实际检测出来的常数值，ΔV_in0、ΔL、ΔR、ΔC分别表示对应的扰动不确定因素。

3.根据权利要求2所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述数学模型的表达式还可表示为：

${\stackrel{\·}{i}}_L=\frac{{\mathrm{\μV}}_{in0}-v_0}{L_0}+{\mathrm{\ξ}}_1\left(t\right)$

${\stackrel{\·}{v}}_0=\frac{i_L-v_0/R_0}{C_0}+{\mathrm{\ξ}}_2\left(t\right)$

其中，μ表示开关状态；ξ₁(t)和ξ₂(t)具体的表达式如下：

${\mathrm{\ξ}}_1\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\μ\ΔV}}_{in}{L}_0-{\mathrm{\μ\ΔLV}}_{in0}+{\mathrm{\ΔLv}}_0}{(L_0+\mathrm{\Δ}L)L_0},$

${\mathrm{\ξ}}_2\left(t\right)=\frac{v_0\mathrm{\Δ}R}{R_0\left(R_0+\mathrm{\Δ}R\right)\left(C_0+\mathrm{\Δ}C\right)}+\frac{v_0\mathrm{\Δ}C-i_L{\mathrm{\ΔCR}}_0}{C_0{R}_0\left(C_0+\mathrm{\Δ}C\right)}.$

4.根据权利要求3所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述步骤2中的电流观测器设计为：

${\stackrel{\·}{\hat{v}}}_0=\frac{1}{C}{\hat{i}}_L-\frac{v_0}{RC}+K_1{\mathrm{sig}}^{m_1}(v_0-{\hat{v}}_0)$

${\stackrel{\·}{\hat{i}}}_L=-\frac{1}{L}{v}_0+\frac{{\mathrm{\μV}}_{in}}{L}+K_2{\mathrm{sig}}^{m_2}(v_0-{\hat{v}}_0)$

其中，K₁、K₂为观测器增益，为输出电压观测值，为电流观测值；sig^α(x)定义为：sig^α(x)＝sign(x)|x|^α,α>0；τ为非光滑指数，越靠近-1/2，表明非光滑程度越高，m₁、m₂是由τ决定的非光滑系数，这里m₁＝1+τ，m₂＝1+2τ，

5.根据权利要求4所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述电流观测器还可采用离散化方法设计，其离散表达式为：

${\hat{v}}_0(k+1)=\{\frac{1}{C}{\hat{i}}_L\left(k\right)+\frac{v_0\left(k\right)}{RC}+K_1{\mathrm{sig}}^{m_1}\[v_0\left(k\right)-{\hat{v}}_0\left(k\right)\]\}T+{\hat{v}}_0\left(k\right)$

${\hat{i}}_L(k+1)=\{-\frac{1}{L}{\hat{v}}_0\left(k\right)+\frac{{\mathrm{\μV}}_{in}}{L}+K_2{\mathrm{sig}}^{m_2}\[v_0\left(k\right)-{\hat{v}}_0\left(k\right)\]\}T+{\hat{i}}_L\left(k\right)$

其中，和表示观测的输出电压v₀和电感电流i_L的当前状态值，和表示v₀和i_L的后一个状态值。

6.根据权利要求5所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，还包括步骤3：数字化实现所述电流观测器，具体步骤为：

首先利用数据采集卡将采集到的电压信号v₀传送到DSP平台，进行A/D转换；

其次以转换后的输出电压数字信号作为输入，和作为电压和电流的状态变量，利用离散化设计的电流观测器，并运用PI控制来减小超调，最终实现对电流信号的观测。

7.根据权利要求6所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述步骤3还包括：忽略前10T观测器的输出值；T为采样周期。

8.根据权利要求1所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述电感电流i_L和输出电压v₀采用PID控制。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述电流检测方法适用于Boost变换器。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于非光滑观测技术的功率变换器电流检测方法，其特征在于，所述电流检测方法适用于对输出电压的检测。