TWI626459B - 使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法與裝置 - Google Patents

使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法與裝置 Download PDF

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Abstract

一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法。該方法包含：接收當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值；接收該當前取樣時間的一直流鏈電壓；藉由一狀態觀察器，根據該濾波電容電壓實際值與該直流鏈電壓，輸出一濾波電容電壓狀態變量，該濾波電容電壓狀態變量係下一取樣時間的一電壓預測值；以及藉由該狀態觀察器，輸出一濾波電容電流狀態變量，該濾波電容電流狀態變量係該下一取樣時間的一電流預測值，且該濾波電容電流狀態變量係無漣波之一平均電流值。

Description

使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法與裝置
本案係關於一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法。
目前有多種直交流轉換器(DC-AC converter)之控制方式，在這些控制方式當中，被控制的電流主要有三種：濾波電感電流、濾波電容電流以及負載電流。針對濾波電容電流的控制方法，參考文獻的結果，使用濾波電容電流控制的系統，其整體系統性能較佳。濾波電容電流的控制方法不僅可以使用較便宜的偵測元件，其動態響應也是最佳的，然而濾波電容電流本身含有漣波成分，偵測之準確性便為重點所在。
常見濾波電容電流的偵測方式包含：直接偵測以及間接偵測等方法。直接偵測濾波電容電流係使用硬體偵測電路，直接偵測濾波電容電流，濾波電容電流的量值由濾波電容的阻抗值來決定，濾波電容的阻抗通常較小，故濾波 電容電流也小，因此可以使用較便宜的偵測元件。然而，濾波電容電流具有漣波成分，若要取得較佳的訊號，則必須加上濾波電路，但是濾波電路會使訊號失真且有訊號延遲的問題。
另外，間接偵測濾波電容電流有兩種方法，一種為先以硬體電路偵測電感電流與負載電流，而兩者之間的差值即為濾波電容電流，此方法需要兩個頻寬高的偵測元件，故成本較高，仍然有訊號延遲的問題。
本揭露之一實施例提供一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法。該方法包含：接收當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值；接收該當前取樣時間的一直流鏈電壓；藉由一狀態觀察器(State Observer)，根據該濾波電容電壓實際值與該直流鏈電壓，輸出一濾波電容電壓狀態變量，該濾波電容電壓狀態變量係下一取樣時間的一電壓預測值；以及藉由該狀態觀察器，輸出一濾波電容電流狀態變量，該濾波電容電流狀態變量係該下一取樣時間的一電流預測值，且該濾波電容電流狀態變量係無漣波之一平均電流值。
本揭露之一實施例提供一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法。該方法包含：偵測當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值與一直流鏈電壓；藉由一狀 態觀察器，取得下一取樣時間的一濾波電容電壓狀態變量、一濾波電容電流狀態變量與一擾動電壓狀態變量；比較一濾波電容電壓參考命令值與該濾波電容電壓狀態變量，得到一濾波電容電流參考命令值；比較該濾波電容電流參考命令值與該濾波電容電流狀態變量，得到一電壓控制值；比較該電壓控制值與一前饋電壓狀態變量，得到一脈波寬度調變比較值，其中，該前饋電壓狀態變量為該擾動電壓狀態變量除以該直流鏈電壓；以及根據該脈波寬度調變比較值，進行脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)之切換控制。
本揭露之一實施例提供一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置。該裝置包含：一晶片包含一狀態觀察器，該狀態觀察器用以擷取當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值以及一直流鏈電壓，藉由狀態觀察器，根據該濾波電容電壓實際值與該直流鏈電壓，輸出下一取樣時間的一濾波電容電壓狀態變量、一濾波電容電流狀態變量以及一擾動電壓狀態變量，該濾波電容電流狀態變量係無漣波的一平均電流值。
D1~D4‧‧‧二極體
Cdc‧‧‧直流電容
Lf‧‧‧濾波電感
Cf‧‧‧濾波電容
Ed‧‧‧直流鏈電壓
vI‧‧‧轉換器輸出交流電壓
iI‧‧‧轉換器輸出電流
vC‧‧‧濾波電容電壓
iC‧‧‧濾波電容電流
iL‧‧‧負載電流
Q1~Q4‧‧‧開關元件
10‧‧‧加法器
u‧‧‧系統調變因數
11、12‧‧‧加法器
vd‧‧‧擾動電壓
ve‧‧‧電壓誤差補償
15‧‧‧狀態觀察器
16、17、18‧‧‧加法器
19‧‧‧除法器
AVR‧‧‧交流電壓控制器
ACR、ACR1、ACR2‧‧‧交流電流控制器
21~26‧‧‧步驟
41~47‧‧‧步驟
31‧‧‧狀態觀察器
32、33、34、35‧‧‧加法器
36‧‧‧除法器
100‧‧‧單相直交流轉換器
51、52、53、54‧‧‧濾波電容電壓值
61、62、63、64‧‧‧濾波電容電流值
iC *‧‧‧濾波電容電流參考命令值
vcontrol *‧‧‧電壓控制值
vpwm_cmd‧‧‧脈波寬度調變比較值
vC *‧‧‧濾波電容電壓參考命令值
iL *‧‧‧負載電流參考命令值
iL(k)‧‧‧負載電流實際值
vC(k)‧‧‧濾波電容電壓實際值
(k+1)‧‧‧前饋電壓狀態變量
(k)、(k+1)‧‧‧濾波電容電壓狀態變量
(k)、(k+1)‧‧‧濾波電容電流狀態變量
(k)、(k+1)‧‧‧擾動電壓狀態變量
(k+1)‧‧‧負載電流狀態變量
ωf‧‧‧濾波角頻率
u(k)‧‧‧系統調變因數
T‧‧‧週期
圖1係根據一些實施例說明單相直交流轉換器的電路圖。
圖2係根據一些實施例說明單相直交流轉換器之控制方 塊圖。
圖3係圖2等效轉換之控制方塊圖。
圖4係根據一些實施例說明離網模式之控制流程圖。
圖5說明圖4離網模式之控制流程圖的步驟。
圖6係根據一些實施例說明併網模式之控制流程圖。
圖7說明圖6併網模式之控制流程圖的步驟。
圖8係根據一些實施例說明第一種狀態觀察器與第二種狀態觀察器之濾波電容電壓的波形圖。
圖9係根據一些實施例說明第一種狀態觀察器與第二種狀態觀察器之濾波電容電流的波形圖。
本案所提出的狀態觀察器主要針對直交流轉換器(DC-AC converter)之交流端(AC side)的濾波電容電流(filter capacitor current)來進行預測與計算的動作。
本案使用間接偵測數位計算的方法，藉由數位方式得到濾波電容電流值，不需要額外利用硬體電路可以使成本降低，並且訊號不失真且無漣波成分，準確性佳。
本案透過電路分析，推導出濾波電容電壓、濾波電容電流與擾動電壓之電路公式，再藉由轉換函數將連續訊號轉為離散訊號，進一步推導出濾波電容電壓、濾波電容電流與擾動電壓之數學公式，整體算式中，只需偵測濾波電容電壓與直流鏈電壓的實際值，便可取得濾波電容電壓、濾 波電容電流與擾動電壓之預測值。此濾波電容電流值已為平均電流值且無漣波成分，且不需要額外利用硬體偵測電路，便可預測濾波電容電流，相對電路成本下降。針對數位控制系統而言，狀態觀察器之計算結果係下個取樣時間之預測值，可減少取樣誤差時間，促使整體系統性能提升。
狀態觀察器有分成開迴路狀態觀察器(Open-Loop State Observer)與閉迴路狀態觀察器(Closed-Loop State Observer)。兩者差別在於閉迴路觀察器有回授訊號來減少計算誤差，其計算誤差低於開迴路狀態觀察器，故本案實施例之狀態觀察器皆採用閉迴路狀態觀察器。開迴路狀態觀察器之數學式如公式(1)，而閉迴路狀態觀察器之數學式如公式(2)，為了取得閉迴路狀態觀察器，必須先推導出開迴路狀態觀察器，下面將有詳細的推導流程。
公式(1)、(2)為通式，A、B、C可視為係數；K為增益項；、分別為下一取樣時間與當前取樣時間的狀態變量；u為系統調變因數；y為實際回授量。下方將有詳細說明。
本案提出使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，並應用於單相直交流轉換器系統。而本案將以單相全橋轉換器來做說明，圖1係根據一些實施例說明單相直交流轉換器100的電路圖。單相直交流轉換器100包含4 顆半導體開關元件Q1~Q4、1個直流電容Cdc、一個濾波電感Lf以及一個濾波電容Cf、二極體D1~D4搭配開關元件Q1~Q4。Ed為直流鏈電壓，vI為轉換器輸出交流電壓，iI為轉換器輸出電流，vC為濾波電容電壓，iC為濾波電容電流，而iL則為負載電流。
根據圖1，藉由電路原理可得到公式(3)和公式(4)：
其中濾波電感電壓關係式；濾波電容電流關係式；濾波電感Lf；濾波電容Cf；vLf為濾波電感電壓；vI為轉換器輸出交流電壓；iI為轉換器輸出電流；vC為濾波電容電壓；iC為濾波電容電流；iL則為負載電流；上述除定值外，在此為連續物理量。將公式(3)與公式(4)整理成狀態方程式，如公式(5)所示： 其中vI=uEd，而u為系統調變因數(Modulation Index)；Ed為直流鏈電壓；濾波電感Lf；濾波電容Cf；上述除定值外，在此為連續物理量。公式(5)為濾波電容電壓vC與轉換器輸出電流iI之狀態方程式，欲推導出濾波電容電流iC的狀態方程式，故需將轉換器輸出電流iI轉換成濾波電容電流iC，為了更清楚表 示每個參數的關係，將公式(5)圖示化為控制方塊圖，如圖2所示。
圖2係根據一些實施例說明單相直交流轉換器100之控制方塊圖。由圖2可得到公式(6)：vI=iI．sLf+vC 公式(6)假定iC．sLf 0後，將公式(6)重新整理，可得到公式(7)：vI=iI．sLf+vC=(iL+iC)．sLf+vC=iL．sLf+vC 公式(7)其中sLf為濾波電感阻抗，根據公式(7)，重新將圖2整理成圖3，圖2、3互為等效。特別地，係將濾波電容電壓vC作為回授訊號，回授至加法器10，加法器10加成濾波電容電壓vC與轉換器輸出交流電壓vI，轉換器輸出交流電壓vI為系統調變因數u乘上為直流鏈電壓Ed，其數學式關係vI=uEd。
圖3係圖2等效轉換之控制方塊圖。圖3中ve為電壓誤差補償，vd則為擾動電壓，從圖3之控制方塊圖，反向推導其狀態方程式。從圖3可得到有關濾波電容電壓vC與濾波電容電流iC的相關公式，如公式(8)~公式(10)：
電壓誤差補償ve；擾動電壓vd；濾波電容電壓vC；濾波電感電壓關係式；濾波電容電流iC；濾波電容電流關係式，轉換器輸出交流電壓vI；上述除定值外，在此為連續物 理量。特別地，將濾波電容電壓vC作為回授訊號，回授至加法器11，加法器11加成回授的濾波電容電壓vC、回授的濾波電感電壓與電壓誤差補償ve為擾動電壓vd。再者，加法器12加成擾動電壓vd與轉換器輸出交流電壓vI，轉換器輸出交流電壓vI為系統調變因數u乘上為直流鏈電壓Ed，其數學式關係vI=uEd。
本案提出兩種不同的狀態觀察器公式，其相同處在於將濾波電容電壓vC作為回授訊號。其主要的不同處在於假定條件，第一種直接假定，也就是一時變的擾動電壓為零，第二種則是假定，也就是一時變的擾動電壓等於一時變的濾波電容電壓。下面將推導第一種與第二種狀態觀察器並模擬及比較兩者。在其他實施例中，存在有不同的假定或是推導方法，本案例示地提出兩種狀態觀察器公式，主要精神仍在於以無感測器方法與利用狀態觀察器，不需要偵測當前濾波電容電流就可以得到下一取樣時間的濾波電容電流之數值，預測的濾波電容電流已為平均電流值且無漣波成分。
第一種狀態觀察器推導：將狀態關係式，公式(8)、公式(9)整理成狀態方程式，並且直接定義(即，一時變的擾動電壓為零)，如公式(11)和公式(12)所示：
參照開迴路狀態觀察器式(1)轉化成離散型態如公式(13)與公式(14)：
y(k)=Cd x(k) 公式(14)並利用公式(13)之轉換公式以及拉普拉斯轉換法求得Ad、Bd與Cd。x(k)、x(k+1)為離散值(數位偵測值)。最後將公式(13)與公式(14)重新代入與整理成公式(15)與公式(16)，即為第一種開迴路狀態觀察器。
公式(15)、(16)內的參數分別為取樣(sampling)的週期T；當前取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k)、下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k)與下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的擾動電壓狀態變量(k)與下一取樣時間的擾 動電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；直流鏈電壓Ed，係離散值(數位偵測值)；u(k)為系統調變因數(Modulation Index)；以下為已知的定值，濾波電感Lf；濾波電容Cf。
進一步推導第一種閉迴路狀態觀察器方程式。假定vC為回授訊號，閉迴路狀態觀察器方程式如公式(2)，將公式(2)轉化成離散公式，如公式(17)所示，其中K為增益的修正項如公式(18)，
將上述代表第一種開迴路狀態觀察器之公式(16)代入公式(17)求得方程式如公式(19)： 使用無差拍控制法(Deadbeat Control Law)來求得增益項K，其中K的計算結果如公式(20)： 在此的增益項K容許其它數學方法求得，在此為其中一種方式的例示，並不限於此。最後，將已求得參數全部代入閉迴路觀察器公式，如公式(19)所示，並重新整理取得第一種閉迴路狀態觀察器之方程式，該方程式如公式(21)所示。
公式(21)中，當前取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k)與下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k)與下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的擾動電壓狀態變量(k)與下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；vC(k)為當前取樣時間的濾波電容電壓實際值；取樣(sampling)的週期T；直流鏈電壓Ed，係離散值(數位偵測值)；以下為已知定值，濾波電感Lf；濾波電容Cf。因此，只需擷取當前取樣時間的濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed，透過第一種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(21)的運算，便可取得下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)、濾波電容電流狀態變量(k+1)與擾動電壓狀態變量(k+1)，得知下個取樣時間之預測值。特別地，第一種閉迴路狀態觀察器輸出的濾波電容電流狀態變量(k+1)已為平均電流值且無漣波成分，且不需要額外硬體電路或感測器便可預測濾波電容電流，無感測器的第一種閉迴路狀態觀察器使得相對電路成本下降，針對數位控制系統而言，第一種閉迴路狀態觀察器之計算結果皆為下個取樣時間之預測值，可減 少取樣誤差時間，促使整體系統性能提升。
第二種狀態觀察器推導：與第一種狀態觀察器推導方式相近，差別在於所使用的狀態關係式，並且定義一時變的擾動電壓等於一時變的濾波電容電壓，如公式(9)與公式(10)，將上述狀態關係式整理成狀態方程式，如公式(22)與公式(23)：
進一步使用離散型態開迴路狀態觀察器，如公式(13)與公式(14)，並且利用公式(13)之轉換公式以及拉普拉斯轉換法求得Ad、Bd與Cd，最後將Ad、Bd與Cd代入公式(13)與公式(14)重新整理後取得公式(24)與公式(25)即為第二種開迴路狀態觀察器：
公式(24)與公式(25)的參數分別為取樣(sampling)的週期T；ωf為濾波角頻率；當前取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k)、下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k)、下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的擾動電壓狀態變量(k)、下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；直流鏈電壓Ed，亦為離散值(數位偵測值)；u(k)為系統調變因數(Modulation Index)；以下為已知的定值，濾波電感Lf；濾波電容Cf。
利用第二種開迴路狀態觀察器之公式(24)與公式(25)，進一步推導第二種閉迴路狀態觀察器方程式。同樣假定濾波電容電壓vC為回授訊號，使用離散型態之閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(19)，藉由無差拍控制法(Deadbeat Control Law)來求得增益項K，其計算結果如公式(26)。
在此的增益項K容許其它數學方法求得，在此為其中一種方式的例示，並不限於此。將已求得參數全部代入公式(19)並重新整理後，取得第二種閉迴路狀態觀察器之方程式，該方程式如公式(27)所示： 公式(26)與公式(27)的參數分別為取樣(sampling)的週期T；ωf為濾波角頻率；當前取樣時間的濾波電容電壓(k)與下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k)與下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的擾動電壓狀態變量(k)與 下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)為狀態觀測器的運算值；vC(k)為當前取樣時間的濾波電容電壓實際值；u(k)為系統調變因數(Modulation Index)；Ed直流鏈電壓(實際值)；以下為已知的定值，濾波電感Lf、濾波電容Cf。上述已詳細說明狀態觀察器的推導過程，由公式(26)與公式(27)可知，只要偵測當前取樣時間的直流鏈電壓Ed與濾波電容電壓實際值vC(k)，再加上調變因數控制u(k)，便可以取得下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)、濾波電容電流狀態變量(k+1)與擾動電壓狀態變量(k+1)之預測值。特別地，第二種閉迴路狀態觀察器輸出的濾波電容電流狀態變量(k+1)已為平均電流值且無漣波成分，且不需額外硬體電路或感測器便可預測濾波電容電流，無感測器的第二種閉迴路狀態觀察器使得電路成本下降，針對數位控制系統而言，第二種閉迴路狀態觀察器之計算結果皆為下個取樣時間之預測值，可減少取樣誤差時間，促使整體系統性能提升。
在上述實施例中，推導時並未固定負載，故負載電流iL為一未知量，為了使整個控制系統沒有取樣誤差，系統控制達一致性並且穩定，進一步，再推導併網模式之下一取樣時間的負載電流公式，而針對負載端的電流預測，可參照圖3可得到公式(28)： ve為電壓誤差補償；vd則為擾動電壓；vC為濾波電容電壓；iL則為負載電流；濾波電感Lf。並且以一個週期T為積分時間且使用積分公式求得公式(29)： 其中，假定Ve於一個週期T中為一定值；當前取樣時間的擾動電壓狀態變量(k)與下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；當前取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k)與下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)，兩者為狀態觀測器的運算值；下一取樣時間的負載電流狀態變量(k+1)為狀態觀測器的運算值；iL(k)為當前取樣時間的負載電流實際值；濾波電感Lf。公式(29)即為負載電流狀態變量(k+1)的預測公式。無論第一種或是第二種狀態觀察器之負載電流的公式皆相同。
取得下一取樣時間的負載電流狀態變量(k+1)的預測公式後，重新檢視控制流程圖，可清楚發現所有的控制回授值皆為狀態觀測器所計算的下個取樣時間之預測值，包含下一取樣時間的前饋電壓狀態變量(k+1)也是使用預測值來計算取得如公式(30)： 整個控制流程無取樣時間的誤差，使整體系統性能提升。
推導出來的狀態觀察器可適用於離網型直交流 轉換器以及併網型直交流轉換器。圖4係根據一些實施例說明離網模式之控制流程圖。圖5係圖4離網模式之控制流程圖的步驟。參酌圖4，上述第一種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(21)或第二種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(27)編程(program)寫入具有運算能力之晶片，例如：中央處理器(CPU；Central Processing Unit)、微控制器(MCU；Microcontroller Unit)等，但不受限於此。故狀態觀察器(State Observer)15包含第一種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(21)。或者另一實施例中，狀態觀察器15包含第二種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(27)。狀態觀察器15接收當前取樣時間的濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed(實際值)，經過狀態觀察器15的運算後，分別輸出下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)、濾波電容電流狀態變量(k+1)、擾動電壓狀態變量(k+1)。圖4的其他符號說明如濾波電容電壓參考命令值vC *，濾波電容電流參考命令值iC *、電壓控制值vcontrol *、交流電壓控制器AVR、交流電流控制器ACR、脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)比較值vpwm_cmd，加法器16、17、18與除法器19。
在一實施例中，參酌圖4，在實際操作中，狀態觀察器15接收當前取樣時間的濾波電容電壓實際值vC(k)；接收一直流鏈電壓Ed(實際值)；藉由狀態觀察器15，根據濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed，輸出濾波電容電壓狀 態變量(k+1)，濾波電容電壓狀態變量(k+1)係下一取樣時間的一電壓預測值；以及藉由狀態觀察器15，輸出濾波電容電流狀態變量(k+1)，濾波電容電流狀態變量(k+1)係該下一取樣時間的一電流預測值，且濾波電容電流狀態變量(k+1)係無漣波之一平均電流值。
在一實施例中，參酌圖4，一晶片或一處理器經過編程(program)後，包含狀態觀察器15，狀態觀察器15用以擷取當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值vC(k)、一直流鏈電壓Ed(實際值)，藉由狀態觀察器，根據濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed，輸出下一取樣時間的一濾波電容電壓狀態變量(k+1)、一濾波電容電流狀態變量(k+1)以及一擾動電壓狀態變量(k+1)，該濾波電容電流狀態變量(k+1)係無漣波的一平均電流值。在一實施例中，狀態觀察器15係包含第一種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(21)所示。或者另一實施例中，狀態觀察器15係包含第二種閉迴路狀態觀察器方程式，其方程式如公式(27)所示。
參酌圖4、5，步驟21中，利用外部電路或數位方法偵測當前取樣時間的濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed(實際值)，狀態觀察器15接收濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed。
步驟22中，當前取樣時間的濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed代入狀態觀察器15運算取得下一取樣 時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)、濾波電容電流狀態變量(k+1)、擾動電壓狀態變量(k+1)，詳言之，在狀態觀察器15中，係將濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed代入第一種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(21)進行運算。在另一實施例中，將濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed代入第二種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(27)所示。狀態觀察器15輸出下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)至加法器16；下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)至加法器17；下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)至加法器18。
步驟23中，將濾波電容電壓參考命令值vC *與下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)在加法器16相互比較後，經過交流電壓控制器AVR後，得到濾波電容電流參考命令值iC *。
步驟24中，將濾波電容電流參考命令值iC *與下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)在加法器17相互比較後，經過交流電流控制器ACR後，得到電壓控制值vcontrol *。
步驟25中，在加法器18中，將電壓控制值vcontrol *加上下一取樣時間的前饋電壓狀態變量(k+1)得到脈波寬度調變比較值vpwm_cmd，其中，前饋電壓狀態變量(k+1)為擾動電壓狀態變量(k+1)除以直流鏈電壓Ed。
步驟26中，根據脈波寬度調變比較值vpwm_cmd，進行脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)的切換控制。
如上述，將無感測器的狀態觀察器15應用於離網模式之控制系統，只要取得當前取樣時間的直流鏈電壓Ed(實際值)與濾波電容電壓實際值vC(k)，便可以取得下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)、濾波電容電流狀態變量(k+1)與擾動電壓狀態變量(k+1)之預測值。此濾波電容電流狀態變量(k+1)已為平均電流值且無漣波成分，且不需額外硬體電路便可預測濾波電容電流，相對電路成本下降。整個離網模式控制流程之回授值皆使用預測值，無取樣時間誤差，使控制系統性能提升。狀態觀察器15之公式(21)或公式(27)的參數皆為可控因數，如取樣(sampling)的週期T、濾波電感Lf、濾波電容Cf、系統調變因數u(k)等，狀態觀察器15輸出的預測值準確性高且具預測性，且本離網模式控制系統為濾波電容電流控制，系統響應佳，並以數位化控制，故使用狀態觀察器15的計算結果可減少取樣時間誤差。
圖6係根據一些實施例說明併網模式之控制流程圖。圖7說明圖6之併網模式之控制流程圖的步驟。參酌圖6，在一實施例，上述第一種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(21)以及運算負載電流狀態變量(k+1)的公式(29)編程(program)寫入具有運算能力之晶片。或是另一實施例，上述 第二種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(27)以及公式(29)編程寫入具有運算能力之晶片。晶片例如：中央處理器(CPU；Central Processing Unit)、微控制器(MCU；Microcontroller Unit)等，但不受限於此。故狀態觀察器(State Observer)31包含公式(21)以及公式(29)。或另一實施例中，狀態觀察器31包含公式(27)以及公式(29)。狀態觀察器31接收當前取樣時間的負載電流實際值iL(k)、濾波電容電壓實際值vC(k)、直流鏈電壓Ed。經過狀態觀察器31的運算後，分別輸出下一取樣時間的負載電流狀態變量(k+1)至加法器32、下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)至加法器33、下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)至加法器34、下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)至除法器36。圖6的其他符號說明如負載電流參考命令值iL *、濾波電容電壓參考命令值vC *、濾波電容電流參考命令值iC *、電壓控制值vcontrol *、交流電流控制器ACR1、交流電壓控制器AVR、交流電流控制器ACR2、脈波寬度調變比較值vpwm_cmd、前饋電壓狀態變量(k+1)、加法器32、33、34、35與除法器36。
參酌圖6、7，在步驟41中，利用外部電路或數位方法偵測當前取樣時間的負載電流實際值iL(k)、濾波電容電壓實際值vC(k)、直流鏈電壓Ed(實際值)。狀態觀察器31接收負載電流實際值iL(k)、濾波電容電壓實際值vC(k)、直流鏈電壓Ed。特別地，與狀態觀察器15的差別在於，狀態觀察器 31增加負載電流實際值iL(k)。在狀態觀察器31中，係將負載電流實際值iL(k)、濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed代入第一種閉迴路狀態觀察器方程式之公式(21)以及運算負載電流狀態變量(k+1)的公式(29)進行運算。在另一實施例中，係將負載電流實際值iL(k)、濾波電容電壓實際值vC(k)與直流鏈電壓Ed代入第二種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(27)以及公式(29)進行運算。
步驟42中，代入狀態觀察器31運算後，分別輸出下一取樣時間的負載電流狀態變量(k+1)至加法器32；濾波電容電壓下一取樣時間的狀態變量(k+1)至加法器33；下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)至加法器34；下一取樣時間的擾動電壓狀態變量(k+1)至加法器35。
步驟43中，將負載電流參考命令值iL *與下一取樣時間的負載電流狀態變量(k+1)在加法器32中相互比較後，經過交流電流控制器ACR1後，得到濾波電容電壓參考命令值vC *。
步驟44中，將濾波電容電壓參考命令值vC *與下一取樣時間的濾波電容電壓狀態變量(k+1)在加法器33中相互比較後，經過交流電壓控制器AVR後，得到濾波電容電流參考命令值iC *。
步驟45中，將濾波電容電流參考命令值iC *與下一取樣時間的濾波電容電流狀態變量(k+1)在加法器34中相 互比較後，經過交流電流控制器ACR2後，得到電壓控制值vcontrol *。
步驟46中，將電壓控制值vcontrol *加上下一取樣時間的前饋電壓狀態變量(k+1)得到脈波寬度調變比較值vpwm_cmd。其中，在除法器36中，前饋電壓狀態變量(k+1)為擾動電壓變量(k+1)除以直流鏈電壓Ed。
步驟47中，根據脈波寬度調變比較值vpwm_cmd，進行脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)的切換控制。
如上述，將無感測器的狀態觀察器31應用於併網模式之控制系統，只要取得當前取樣時間的負載電流實際值iL(k)、直流鏈電壓Ed與濾波電容電壓實際值vC(k)，便可以取得下一取樣時間的負載電流狀態變量(k+1)、濾波電容電壓狀態變量(k+1)、濾波電容電流狀態變量(k+1)與擾動電壓狀態變量(k+1)之預測值。此濾波電容電流狀態變量(k+1)已為平均電流值且無漣波成分，且不需額外硬體電路便可預測濾波電容電流，相對電路成本下降。整個併網模式控制流程之回授值皆使用預測值，無取樣時間誤差，使控制系統性能提升。狀態觀察器31之公式(21)、公式(27)以及公式(29)參數皆為可控或已知因數如取樣(sampling)的週期T、濾波電感Lf、濾波電容Cf、濾波角頻率ωf、系統調變因數u(k)等，狀態觀察器31輸出的預測值準確性高且具預測性，且本併網模式之控 制系統為濾波電容電流控制，系統響應佳，並以數位化控制，故使用狀態觀察器31的計算結果可減少取樣時間誤差。
進一步地，針對第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器來進行模擬比較，圖8為根據一些實施例說明第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器之濾波電容電壓的波形圖。在圖8中，(a)、(b)、(c)、(d)圖之橫軸為時間(秒)，縱軸為電壓(伏特)。圖8中的(a)為第一種閉迴路狀態觀察器之模擬結果，係使用上述第一種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(21)。圖8中的(c)則為(a)的虛線方框部分的放大圖。在圖8中的(b)為第二種閉迴路狀態觀察器之模擬結果，係使用上述第二種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(27)，圖8中的(d)為(b)的虛線方框部分的放大圖。
在圖8中的(c)，鋸齒波係離散狀態(數位偵測值)的濾波電容電壓值51，鋸齒波的形成歸因於取樣保存(sample and hold)。下方不規則斜線係連續的濾波電容電壓值52，濾波電容電壓值52係實際的物理量。
在圖8中的(d)，鋸齒波係離散狀態(數位偵測值)的濾波電容電壓值53，鋸齒波的形成歸因於取樣保存(sample and hold)。下方不規則斜線係連續的濾波電容電壓值54，濾波電容電壓值54係實際的物理量。相較地，濾波電容電壓值53更貼近濾波電容電壓值54，故第二種閉迴路狀態觀察器之計算結果較第一種閉迴路狀態觀察器來得準確。
圖9為根據一些實施例說明第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器之濾波電容電流的波形圖。圖9中，(a)、(b)、(c)、(d)圖之橫軸為時間(秒)，縱軸為電流(安培)。在圖9中的(a)為第一種閉迴路狀態觀察器之模擬結果，係使用上述第一種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(21)。圖9中的(c)則為(a)的虛線方框部分的放大圖。圖9中的(b)為第二種閉迴路狀態觀察器之模擬結果，係使用上述第二種閉迴路狀態觀察器方程式，如公式(27)，圖9中的(d)為(b)的虛線方框部分的放大圖。
在圖9中的(c)，漣波係連續的濾波電容電流值61，濾波電容電流值61係實際的物理量。平滑斜線係濾波電容電流值62，濾波電容電流值62藉由第一種閉迴路狀態觀察器方程式，由公式(21)運算後，得到預測的濾波電容電流值，濾波電容電流值62可視為上述公式(21)求出的濾波電容電流狀態變量(k+1)，故濾波電容電流值62已為平均電流值且無漣波成分。
在圖9中的(d)，漣波係連續的濾波電容電流值63，濾波電容電流值63係實際的物理量。平滑斜線係濾波電容電流值64，濾波電容電流值64藉由第二種閉迴路狀態觀察器方程式，由公式(27)運算後，得到預測的濾波電容電流值，濾波電容電流值64可視為上述公式(27)求出的濾波電容電流狀態變量(k+1)，故濾波電容電流值64已為平均電流值 且無漣波成分。
比較地，濾波電容電流值64更接近漣波狀態的濾波電容電流值63之平均電流值，故第二種閉迴路狀態觀察器之計算結果較第一種閉迴路狀態觀察器準確。準確性越高，控制越好，整體效能也會提升。
綜合上述，本案使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，提供無感測器的第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器，不需要感測器或外部硬體偵測電路來偵測濾波電容電流，且狀態觀察器所計算出來的濾波電容電流訊號為平均電流值不含漣波成分，且為下一取樣時間之預測訊號，於控制上沒有取樣誤差時間。
實際應用上，僅需要先偵測當前的濾波電容電壓、直流鏈電壓、負載電流(使用併網模式時)，便可以藉由無感測器的狀態觀察器預測下一取樣時間的負載電流、濾波電容電壓、濾波電容電流以及擾動電壓，不需要偵測當前濾波電容電流就可以得到下一取樣時間的濾波電容電流之數值，預測的濾波電容電流已為平均電流值且無漣波成分。另一方面，本案所提供無感測器的第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器，可分別應用於離/併網模式之控制系統，整個控制流程之回授值皆使用預測值，無取樣時間誤差，使控制系統性能提升。再者，無感測器的第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器並未固定負載電流大 小，故無論併網或離網模式皆適用。第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器之所有參數皆為可控因數，下一取樣時間的預測值準確性高且具預測性，且為濾波電容電流控制，系統響應佳。本案所提供的無感測器的第一種閉迴路狀態觀察器與第二種閉迴路狀態觀察器應用於數位化控制中，狀態觀察器的計算結果可減少取樣時間誤差。
前述內容概述一些實施方式的特徵，因而熟知此技藝之人士可更加理解本申請案揭示內容之各方面。熟知此技藝之人士應理解可輕易使用本申請案揭示內容作為基礎，用於設計或修飾其他製程與結構而實現與本申請案所述之實施方式具有相同目的與/或達到相同優點。熟知此技藝之人士亦應理解此均等架構並不脫離本申請案揭示內容的精神與範圍，以及熟知此技藝之人士可進行各種變化、取代與替換，而不脫離本申請案揭示內容之精神與範圍。

Claims (11)

  1. 一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，該方法包含：接收當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值，該濾波電容電壓實際值係偵測一濾波電容的實際電壓值；接收該當前取樣時間的一直流鏈電壓；藉由一狀態觀察器，根據該濾波電容電壓實際值與該直流鏈電壓，輸出一濾波電容電壓狀態變量，該濾波電容電壓狀態變量係下一取樣時間的一電壓預測值；以及藉由該狀態觀察器，輸出一濾波電容電流狀態變量，該濾波電容電流狀態變量係該下一取樣時間的一電流預測值，且該濾波電容電流狀態變量係無漣波之一平均電流值。
  2. 如請求項1所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，另包含：藉由該狀態觀察器，輸出一擾動電壓狀態變量，該擾動電壓狀態變量係該下一取樣時間的一電壓預測值。
  3. 如請求項1所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，另包含：接收該當前取樣時間的一負載電流實際值；以及 藉由該狀態觀察器，根據該負載電流實際值，輸出一負載電流狀態變量，該負載電流狀態變量係該下一取樣時間的一電流預測值。
  4. 一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，該方法包含：偵測當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值與一直流鏈電壓，該濾波電容電壓實際值係偵測一濾波電容的實際電壓值；藉由一狀態觀察器，取得下一取樣時間的一濾波電容電壓狀態變量、一濾波電容電流狀態變量與一擾動電壓狀態變量；比較一濾波電容電壓參考命令值與該濾波電容電壓狀態變量，得到一濾波電容電流參考命令值；比較該濾波電容電流參考命令值與該濾波電容電流狀態變量，得到一電壓控制值；比較該電壓控制值與一前饋電壓狀態變量，得到一脈波寬度調變比較值，其中，該前饋電壓狀態變量為該擾動電壓狀態變量除以該直流鏈電壓；以及根據該脈波寬度調變比較值，進行脈波寬度調變之切換控制。
  5. 如請求項4所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測方法，另包含：偵測該當前取樣時間的一負載電流實際值；藉由該狀態觀察器，取得該下一取樣時間之一負載電流狀 態變量；以及比較一負載電流參考命令值與該負載電流狀態變量，得到該濾波電容電壓參考命令值。
  6. 一種使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置，包含：一晶片，該晶片包含一狀態觀察器，該狀態觀察器用以擷取當前取樣時間的一濾波電容電壓實際值、一直流鏈電壓，藉由該狀態觀察器，根據該濾波電容電壓實際值與該直流鏈電壓，輸出下一取樣時間的一濾波電容電壓狀態變量、一濾波電容電流狀態變量以及一擾動電壓狀態變量，該濾波電容電流狀態變量係無漣波的一平均電流值，該濾波電容電壓實際值係偵測一濾波電容的實際電壓值。
  7. 如請求項6所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置，其中該狀態觀察器用以擷取該當前取樣時間的一負載電流實際值，根據該負載電流實際值，輸出該下一取樣時間的一負載電流狀態變量。
  8. 如請求項7所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置，其中該狀態觀察器包含運算該負載電流狀態變量之一公式： (k+1)係該下一取樣時間的該負載電流狀態變量；T係一取樣 週期；(k+1)係該下一取樣時間的該濾波電容電壓狀態變量；(k)係該當前取樣時間之一濾波電容電壓狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該擾動電壓狀態變量；(k)係該當前取樣時間之一擾動電壓狀態變量；iL(k)係該當前取樣時間的該負載電流實際值；Ve係一電壓誤差補償；Lf係一濾波電感值。
  9. 如請求項6所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置，其中該狀態觀察器包含第一種閉迴路狀態觀察器方程式： (k)係該當前取樣時間之一濾波電容電壓狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該濾波電容電壓狀態變量；(k)係該當前取樣時間的一濾波電容電流狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該濾波電容電流狀態變量；(k)係該當前取樣時間的一擾動電壓狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該擾動電壓狀態變量；vC(k)係該當前取樣時間的該濾波電容電壓實際值；T係一取樣週期；Ed係該直流鏈電壓；u(k)係一系統調變因數；Lf係一濾波電感值；Cf係一濾波電容值。
  10. 如請求項6所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置，其中該狀態觀察器包含第二種閉迴路狀態觀察器方程式： (k)係該當前取樣時間之一濾波電容電壓狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該濾波電容電壓狀態變量；(k)係該當前取樣時間的一濾波電容電流狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該濾波電容電流狀態變量；(k)係該當前取樣時間的一擾動電壓狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該擾動電壓狀態變量；vC(k)係該當前取樣時間的該濾波電容電壓實際值；T係一取樣週期；Ed係該直流鏈電壓；Lf係一濾波電感值；Cf係一濾波電容值；ωf係一濾波角頻率；u(k)係一系統調變因數。
  11. 如請求項6所述之使用狀態觀察器之濾波電容電流無感測器偵測裝置，其中該狀態觀察器包含運算一前饋電壓狀態變量之公式： (k+1)係該下一取樣時間的該前饋電壓狀態變量；(k+1)係該下一取樣時間的該擾動電壓狀態變量；Ed係該直流鏈電壓。
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