CN114172344B - Pwm拓扑控制方法及装置、供电*** - Google Patents

Pwm拓扑控制方法及装置、供电*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种PWM拓扑控制方法及装置、供电***，该方法应用于供电电路中的PWM拓扑，供电电路还包括与PWM拓扑输出端连接的LC滤波电路；PWM拓扑控制方法包括：获取LC滤波电路对应的电容电压、电感电流、输出负载电流；基于电容电压、预设的电压参考值、以及电压参考值的微分、输出负载电流确定电流参考值，并根据电流参考值、电感电流、电流参考值的微分、电容电压确定LC滤波电路的输入电压；根据LC滤波电路的输入电压确定PWM拓扑的脉宽调制量，并基于脉宽调制量对PWM拓扑进行控制。本发明拥有良好的电压跟踪性能和抗干扰能力。

Description

PWM拓扑控制方法及装置、供电***
技术领域
本发明属于PWM控制电路技术领域，更具体地说，是涉及一种PWM拓扑控制方法及装置、供电***。
背景技术
PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)拓扑是供电电路中的常见拓扑，为了保证PWM拓扑所在电路的稳定性，需要对PWM拓扑进行控制，其控制需求为良好的电压跟踪性能和抗干扰能力。
现有技术中，通常基于PI(比例积分)控制实现PWM拓扑的控制。如图6所示，传统PI控制器由电压、电流双闭环控制所组成。电压参考值与电容电压的误差值通过PI控制器加上输出负载电流前馈作为电流参考值组成电压外环；然后，电流参考值与电感电流的误差值通过PI控制器加上电容电压前馈形成拓扑输出控制量进行调制输出，从而控制拓扑输出交流电压。然而，在实际应用中，由于传统的PI控制器在交流控制中较难实现给定与反馈的无静差控制。因此，无论是在输出波形质量还是输出动态指标上都较难达到理想指标。在工程上，通常需要另外补充其它控制环路，例如重复控制器，来提高输出参数指标，这就提高了控制成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PWM拓扑控制方法及装置、供电***，以在无需附加控制环路的基础上提升PWM拓扑控制的电压跟踪性能和抗干扰能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供了一种PWM拓扑控制方法，所述PWM拓扑控制方法应用于供电电路中的PWM拓扑，所述供电电路还包括与所述PWM拓扑输出端连接的LC滤波电路；所述PWM拓扑控制方法包括：
获取所述LC滤波电路对应的电容电压、电感电流、输出负载电流；
基于所述电容电压、预设的电压参考值、以及所述电压参考值的微分、所述输出负载电流确定电流参考值，并根据所述电流参考值、所述电感电流、所述电流参考值的微分、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压；
根据所述LC滤波电路的输入电压确定所述PWM拓扑的脉宽调制量，并基于所述脉宽调制量对所述PWM拓扑进行控制。
在一种可能的实现方式中，所述基于所述电容电压、预设的电压参考值、以及所述电压参考值的微分、所述输出负载电流确定电流参考值，包括：
基于所述电容电压以及预设的电压参考值确定电压误差值，并将所述电压误差值输入至预设的电压环控制器中，得到第一参考值；
根据所述电压参考值的微分确定电容电流补偿值；
将所述输出负载电流作为前馈值，基于所述第一参考值、所述电容电流补偿值、以及所述前馈值确定电流参考值。
在一种可能的实现方式中，所述基于所述第一参考值、所述电容电流补偿值、以及所述前馈值确定电流参考值，包括：
将所述第一参考值、所述电容电流补偿值、所述前馈值之和作为电流参考值。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述电流参考值、所述电感电流、所述电流参考值的微分、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压，包括：
基于所述电流参考值以及所述电感电流确定电流误差值，并将所述电流误差值输入至预设的电流环控制器中，得到第二参考值；
根据所述电流参考值的微分确定电感电压补偿值；
基于所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压。
在一种可能的实现方式中，在基于所述第二参考值以及所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压之前，所述PWM拓扑控制方法还包括：
基于所述电容电压以及预设的电压参考值确定电压误差值，并根据所述电压误差值确定谐波补偿值；
相应的，所述基于所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压，包括：
根据所述谐波补偿值、所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述谐波补偿值、所述第二参考值以、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压，包括：
获取所述LC滤波电路对应的电感等效串联电阻，并根据所述电容电压、所述电感电流、所述电感等效串联电阻确定前馈电压；
将所述谐波补偿值、所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述前馈电压之和作为所述LC滤波电路的输入电压。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述LC滤波电路的输入电压确定所述PWM拓扑的脉宽调制量，包括：
获取所述供电电路的直流母线电压；
基于所述LC滤波电路的输入电压以及所述直流母线电压确定所述PWM拓扑的脉宽调制量。
在一种可能的实现方式中，基于所述脉宽调制量对所述PWM拓扑进行控制，包括：
基于所述脉宽调制量生成PWM波，并将所述PWM波输出至所述PWM拓扑。
本发明的另一方面，还提供了一种PWM拓扑控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上所述的PWM拓扑控制方法的步骤。
本发明的再一方面，还提供了一种供电***，包括：
以上所描述的供电电路以及以上所描述的PWM拓扑控制装置，所述PWM拓扑控制装置与所述供电电路中的PWM拓扑连接。
本发明提供的PWM拓扑控制方法及装置、供电***的有益效果在于：
区别于现有技术中直接基于PI控制实现PWM拓扑控制的方案，本发明还计算了电压参考值的微分和电流参考值的微分，将电压参考值的微分和电流参考值的微分引入到了LC滤波电路输入电压的计算中，进而可通过电压参考值的微分实现电容电流的补偿、通过电流参考值的微分实现电感电压的补偿，从而降低电容电流、电感电压对电压跟踪性能的影响，提高了PWM拓扑控制的电压跟踪速度。在此基础上，供电电路突加负载时，本发明可实现电压的快速回稳，进而提高了整个供电电路的抗干扰性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的PWM拓扑控制方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的供电电路的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的PWM拓扑控制装置的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的供电***的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制环路图；
图6为本发明一实施例提供的传统PI控制环路图；
图7为本发明一实施例提供的传统PI控制对应的第一仿真图；
图8为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制对应的第一仿真图；
图9为本发明一实施例提供的传统PI控制对应的第二仿真图；
图10为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制对应的第二仿真图；
图11为本发明一实施例提供的传统PI控制对应的第三仿真图；
图12为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制对应的第三仿真图；
图13为本发明一实施例提供的传统PI控制对应的第四仿真图；
图14为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制对应的第四仿真图；
图15为本发明一实施例提供的传统PI控制对应的第五仿真图；
图16为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制对应的第五仿真图；
图17为本发明一实施例提供的传统PI控制对应的第六仿真图；
图18为本发明一实施例提供的增加补偿环路改进的PI控制对应的第六仿真图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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。
本发明采用的技术方案是提供了一种PWM拓扑控制方法，PWM拓扑控制方法应用于供电电路中的PWM拓扑，其中供电电路的结构可参考图2，如图2所示供电电路还包括与PWM拓扑输出端连接的LC滤波电路，图2中，Uin为LC滤波电路的输入电压、iL(t)为电感电流、Uc(t)为电容电压、L为电感、C为电容、io为LC滤波电路的输出负载电流。其中，本发明实施例所描述的PWM拓扑可以为单相T型三电平逆变拓扑、单相I型三电平逆变拓扑等。
请参考图1，图1为本发明一实施例提供的PWM拓扑控制方法的流程示意图，PWM拓扑控制方法包括：
S101：获取LC滤波电路对应的电容电压、电感电流、输出负载电流。
在本实施例中，可通过数据采集设备采集LC滤波电路的电容电压、电感电流、输出负载电流以用于后续控制。其中，数据采集设备包括但不限于电压传感器、电流传感器等。
S102：基于电容电压、预设的电压参考值、以及电压参考值的微分、输出负载电流确定电流参考值，并根据电流参考值、电感电流、电流参考值的微分、电容电压确定LC滤波电路的输入电压。
在本实施例中，可基于电容电压、预设的电压参考值确定第一参考值，基于电压参考值的微分确定电容电流补偿值，根据第一参考值、电容电流补偿值、输出负载电流确定最终的电流参考值。
在本实施例中，可根据电流参考值和电感电流确定第二参考值，基于电流参考值的微分确定电感电压补偿值，根据第二参考值、电感电压补偿值、电容电压确定最终的LC滤波电路的输入电压。
S103：根据LC滤波电路的输入电压确定PWM拓扑的脉宽调制量，并基于脉宽调制量对PWM拓扑进行控制。
在一种可能的实现方式中，根据LC滤波电路的输入电压确定PWM拓扑的脉宽调制量，包括：
获取供电电路的直流母线电压，基于LC滤波电路的输入电压以及直流母线电压确定PWM拓扑的脉宽调制量。
其中，可通过
Figure BDA0003347996720000061
计算PWM拓扑的脉宽调制量，其中，Udc为上述直流母线电压。
在一种可能的实现方式中，基于脉宽调制量对PWM拓扑进行控制，包括：
基于脉宽调制量生成PWM波，并将PWM波输出至PWM拓扑。
区别于现有技术中直接基于PI控制实现PWM拓扑控制的方案，本发明实施例还计算了电压参考值的微分和电流参考值的微分，将电压参考值的微分和电流参考值的微分引入到了LC滤波电路输入电压的计算中，进而可通过电压参考值的微分实现电容电流的补偿、通过电流参考值的微分实现电感电压的补偿，从而降低电容电流、电感电压对电压跟踪性能的影响，提高了PWM拓扑控制的电压跟踪速度。在此基础上，供电电路突加负载时，本发明实施例可实现电压的快速回稳，进而提高了整个供电电路的抗干扰性能。
在一种可能的实现方式中，基于电容电压、预设的电压参考值、以及电压参考值的微分、输出负载电流确定电流参考值，包括：
基于电容电压以及预设的电压参考值确定电压误差值，并将电压误差值输入至预设的电压环控制器中，得到第一参考值。
根据电压参考值的微分确定电容电流补偿值。
将输出负载电流作为前馈值，基于第一参考值、电容电流补偿值、前馈值确定电流参考值。
在本实施例中，可将预设的电压参考值与电容电压的差值作为电压误差值，将电压误差值输入至预设的电压环控制器中，得到第一参考值。
在本实施例中，可将电压参考值的微分(也即
Figure BDA0003347996720000071
)等效为电容电流补偿值，其中K1为第一预设系数。
在一种可能的实现方式中，可将第一参考值、电容电流补偿值、前馈值之和作为电流参考值。
在一种可能的实现方式中，根据电流参考值、电感电流、电流参考值的微分、电容电压确定LC滤波电路的输入电压，包括：
基于电流参考值以及电感电流确定电流误差值，并将电流误差值输入至预设的电流环控制器中，得到第二参考值。
根据电流参考值的微分确定电感电压补偿值。
基于第二参考值、电感电压补偿值、电容电压确定LC滤波电路的输入电压。
在本实施例中，可将电流参考值以及电感电流的差作为电流误差值，并电流误差值输入至预设的电流环控制器中，得到第二参考值。
在本实施例中，可将电流参考值的微分(也即
Figure BDA0003347996720000081
)等效为电感电压补偿值，其中K2为第二预设系数。
在一种可能的实现方式中，在基于第二参考值、电感电压补偿值、电容电压确定LC滤波电路的输入电压之前，PWM拓扑控制方法还包括：
基于电容电压以及预设的电压参考值确定电压误差值，并根据电压误差值确定谐波补偿值。
相应的，基于第二参考值、电感电压补偿值、电容电压确定LC滤波电路的输入电压，包括：
根据谐波补偿值、第二参考值、电感电压补偿值、电容电压确定LC滤波电路的输入电压。
在本实施例中，电压误差值中包含谐波，因此可根据电压误差值确定谐波补偿值，进而根据谐波补偿值、第二参考值、电感电压补偿值、电容电压确定LC滤波电路的输入电压，以实现谐波补偿，进一步提高动态性能。
其中，可通过δ×K3计算谐波补偿值，其中，δ为电流误差值，K3为根据电容和电感确定的第三预设系数。
在一种可能的实现方式中，根据谐波补偿值、第二参考值以及电感电压补偿值确定LC滤波电路的输入电压，包括：
获取LC滤波电路对应的电感等效串联电阻，并根据电容电压、电感电流、电感等效串联电阻确定前馈电压。
将谐波补偿值、第二参考值、电感电压补偿值、前馈电压之和作为LC滤波电路的输入电压。
在本实施例中，可根据Uc(t)+r×iL(t)确定前馈电压，其中，r为电感等效串联电阻。
作为本发明实施例提供的一种具体实施方式，可参考图5，图5中，x1d为预设的电压参考值，x1＝Uc(t)，x2d为电流参考值，x2＝iL(t)，e为电压误差值，δ为电流误差值。如图5所示，可根据电压参考值x1d与电容电压x1确定电压误差值e，进而确定第一参考值，根据电压参考值的微分以及电压参考值x1d确定电容电流补偿值，最后结合LC滤波电路的输出负载电流io确定电流参考值x2d。再根据电流参考值x2d以及电感电流x2确定电流误差值δ，进而确定第二参考值，根据电流参考值的微分以及电流参考值x2d确定电感电压补偿值，最后结合前馈电压x1+r×x2即可得到LC滤波电路的输入电压Uin，根据输入电压Uin以及直流母线电压Udc确定脉宽调整量，最后生成PWM波以实现PWM拓扑控制。
在本实施例中，可以一并参考图6(图6为传统PI控制，其中的参数含义与图5相同)，两者对比可以看出，相对于复杂的重复控制器，本发明实施例通过三个较为简单的补偿控制环路有效的实现输出与给定的无静差控制，从而提高传统PI控制环路的输出指标。三个补偿环路为：第一，针对PWM拓扑中的电容、电感器件特性，对电感电流给定(也即电流参考值)进行电容电流补偿；第二，通过对输出交流调制电压进行电感电压进行补偿；其三，在前向通道中加入电容电压的误差进行谐波补偿。旨通过简单的环路补偿在实现了其电压跟踪性能和抗干扰能力的进一步提升。
在得出本发明实施例的方案的基础上，本发明还进行了仿真验证，结果如下：
快速性方面，可一并参考图7和图8，图7表明，在对比实验中，传统PI控制有效值收敛较慢，启动时需要0.08s左右才能输出满足要求的波形，而图8中本发明实施例提供的方案直接给定控制值，无有效值环，收敛快。启动时就能跟踪上正弦波形。快速性方面，还可一并参考图9和图10，图9表明，传统PI控制需要在0.8s时，THDV才能稳定在1％以内，而图10本发明实施例提供的方案第二个周期，即0.02s时，THDV就能满足1％以内(其中，图9和图10的红色部分指的是圈出来的部分)。
准确性方面，可以一并参考图11和图12，图11表明，传统PI控制有效值环收敛较慢，需要较长时间才能输出满足要求的波形，而图12本发明实施例直接给定控制值，无有效值环，收敛快。启动时就能跟踪上正弦波形。准确性方面，还可一并参考图13和图14，图13表明，传统PI控制从0.8s开始，PI控制对应的输出电压和给定，误差范围在-6v到6v波动，而图14本发明的方案对应的输出电压和给定，误差范围在-3v到3V之间抖动。
稳定性方面，可以一并参考图15和图16，图15表明，0.2s时，突加RCD负载，传统PI控制波形有部分失真，波峰有被削。而图16本发明的方案，在0.2s时，突加RCD负载，波形基本无失真。稳定性方面，还可一并参考图17和图18，图17表明，传统PI控制在RCD负载下，THDV为3.64％，图18中本发明方案在RCD负载下，THDV为0.64％。
综合上述，本发明实施例的方案在快速性、准确性、稳定性方面均优于传统的PI控制方案。
本发明的另一方面，还提供了一种PWM拓扑控制装置300，包括：一个或多个处理器301、一个或多个输入设备302、一个或多个输出设备303及一个或多个存储器304。上述处理器301、输入设备302、输出设备303及存储器304通过通信总线305完成相互间的通信。存储器304用于存储计算机程序，计算机程序包括程序指令。处理器301用于执行存储器304存储的程序指令。其中，处理器301被配置用于调用程序指令执行上述各方法实施例的步骤。应当理解，在本发明实施例中，所称处理器301可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)。该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。输入设备302可以包括触控板、指纹采传感器(用于采集用户的指纹信息和指纹的方向信息)、麦克风等，输出设备303可以包括显示器(LCD等)、扬声器等。该存储器304可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器301提供指令和数据。存储器304的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器304还可以存储设备类型的信息。具体实现中，本发明实施例中所描述的处理器301、输入设备302、输出设备303可执行本发明实施例提供的PWM拓扑控制方法的第一实施例和第二实施例中所描述的实现方式。
请参考图4，本发明的再一方面，还提供了一种供电***40，包括：
以上所描述的供电电路以及以上所描述的PWM拓扑控制装置，PWM拓扑控制装置与供电电路中的PWM拓扑连接。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种PWM拓扑控制方法，其特征在于，所述PWM拓扑控制方法应用于供电电路中的PWM拓扑，所述供电电路还包括与所述PWM拓扑输出端连接的LC滤波电路；所述PWM拓扑控制方法包括：
获取所述LC滤波电路对应的电容电压、电感电流、输出负载电流；
基于所述电容电压、预设的电压参考值确定第一参考值，基于所述电压参考值的微分确定电容电流补偿值，根据所述第一参考值、所述电容电流补偿值、所述输出负载电流确定电流参考值；
根据所述电流参考值和所述电感电流确定第二参考值，基于所述电流参考值的微分确定电感电压补偿值，根据所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压；
根据所述LC滤波电路的输入电压确定所述PWM拓扑的脉宽调制量，并基于所述脉宽调制量对所述PWM拓扑进行控制。
2.如权利要求1所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，所述基于所述电容电压、预设的电压参考值确定第一参考值，包括：
基于所述电容电压以及预设的电压参考值确定电压误差值，并将所述电压误差值输入至预设的电压环控制器中，得到第一参考值；
所述根据所述第一参考值、所述电容电流补偿值、所述输出负载电流确定电流参考值，包括：
将所述输出负载电流作为前馈值，基于所述第一参考值、所述电容电流补偿值、以及所述前馈值确定电流参考值。
3.如权利要求2所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，所述基于所述第一参考值、所述电容电流补偿值以及所述前馈值确定电流参考值，包括：
将所述第一参考值、所述电容电流补偿值、所述前馈值之和作为电流参考值。
4.如权利要求1所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，所述根据所述电流参考值和所述电感电流确定第二参考值，包括：
基于所述电流参考值以及所述电感电流确定电流误差值，并将所述电流误差值输入至预设的电流环控制器中，得到第二参考值。
5.如权利要求1所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，在基于所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压之前，所述PWM拓扑控制方法还包括：
基于所述电容电压以及预设的电压参考值确定电压误差值，并根据所述电压误差值确定谐波补偿值；
相应的，所述基于所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压，包括：
根据所述谐波补偿值、所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压。
6.如权利要求5所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，所述根据所述谐波补偿值、所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述电容电压确定所述LC滤波电路的输入电压，包括：
获取所述LC滤波电路对应的电感等效串联电阻，并根据所述电容电压、所述电感电流、所述电感等效串联电阻确定前馈电压；
将所述谐波补偿值、所述第二参考值、所述电感电压补偿值、所述前馈电压之和作为所述LC滤波电路的输入电压。
7.如权利要求1至6任一项所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，所述根据所述LC滤波电路的输入电压确定所述PWM拓扑的脉宽调制量，包括：
获取所述供电电路的直流母线电压；
基于所述LC滤波电路的输入电压以及所述直流母线电压确定所述PWM拓扑的脉宽调制量。
8.如权利要求1至6任一项所述的PWM拓扑控制方法，其特征在于，基于所述脉宽调制量对所述PWM拓扑进行控制，包括：
基于所述脉宽调制量生成PWM波，并将所述PWM波输出至所述PWM拓扑。
9.一种PWM拓扑控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
10.一种供电***，其特征在于，包括：如权利要求1所应用的供电电路以及如权利要求9所述的PWM拓扑控制装置，所述PWM拓扑控制装置与所述供电电路中的PWM拓扑连接。
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