無(wú)電壓傳感器DC/DC源設(shè)計(jì)
出處：王東興 亓迎川 發(fā)布于：2007-09-25 09:41:31
摘要：為了提高電源的抗擾動(dòng)性，降低取樣電路的復(fù)雜程度，本文依據(jù)降維觀測(cè)器理論，提出了一種無(wú)輸出電壓傳感器的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真，證實(shí)了無(wú)電壓傳感器雙環(huán)控制DC/DC電源設(shè)計(jì)的合理性．
關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；觀測(cè)器；狀態(tài)反饋；雙環(huán)控制
DC/DC變換電路是重要的電源電路之一．供給DC/DC電路的供電電源常有波動(dòng)，同時(shí)，用電負(fù)載也常有變化，在要求不高的場(chǎng)合可以直接使用，在要求較為嚴(yán)格的場(chǎng)合為保證電源在各種擾動(dòng)下有優(yōu)良的輸出品質(zhì)，需要對(duì)輸入電壓做擾動(dòng)補(bǔ)償、對(duì)輸出負(fù)載電壓進(jìn)行反饋補(bǔ)償．文獻(xiàn)[1]基于觀測(cè)器理論提出無(wú)電流傳感器模型（SCM）控制，改善了噪聲帶來(lái)的不確定性，提高了電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍．根據(jù)反饋理論，電流反饋可以改善內(nèi)環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，而電壓反饋則可改善輸出電壓品質(zhì)．為提高DC/DC電源的輸出電壓品質(zhì)，通常需要對(duì)輸出電壓隔離取樣做反饋控制，因此如何迅速準(zhǔn)確地獲得電源輸出電壓的測(cè)量值，就成為決定DC/DC變換電路品質(zhì)的重要因素．但是多數(shù)電壓隔離檢測(cè)元器件都存在溫度漂移大、線性不理想、電路復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]針對(duì)常用電壓檢測(cè)元件存在的問(wèn)題，提出了運(yùn)用降維觀測(cè)器對(duì)輸出電壓進(jìn)行估計(jì)．實(shí)際中，能否依照反饋量合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器是決定電源品質(zhì)優(yōu)劣的決定因素．針對(duì)反饋量的品質(zhì)要求，本文基于文獻(xiàn)[1]提出了無(wú)電壓傳感器DC/DC電源的設(shè)計(jì)方法，依據(jù)典型I型二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，分別對(duì)電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用文獻(xiàn)[2]的結(jié)果不需要直接測(cè)量輸出電壓即可獲得雙環(huán)控制，從而提高了電源動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)．
1 DC/DC變換電路和降維觀測(cè)器
DC/DC變換電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1開(kāi)環(huán)DC/DC變換電路的結(jié)構(gòu)框圖
取狀態(tài)變量X1=Uo1，X2=Uo，X3=I，得
進(jìn)而得出DC/DC變換器的降維觀測(cè)器方程：
2 無(wú)電壓傳感器DC/DC電源設(shè)計(jì)
2.1 電源組成和工作原理
功率開(kāi)關(guān)放大器和輸出L-C濾波器是DC/DC電源的基本組成部分，無(wú)電壓傳感器DC/DC電源在此基礎(chǔ)上，利用文獻(xiàn)[2]的結(jié)果實(shí)現(xiàn)反饋，并增加電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器，如圖2所示，提高電源的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性．
在突加給定U*的起動(dòng)過(guò)程中，電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器分別依次給出控制信號(hào)，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階段．第1階段是電流上升階段，突加給定電壓，由于濾波電感和濾波電容的慣性作用，電壓調(diào)節(jié)器處在飽和狀態(tài)，電流I線性增加，直到設(shè)定的值Imax，進(jìn)入階段2。階段2是對(duì)電容恒流充電過(guò)程，此時(shí)輸出電壓Uo呈線性增加，影響電流，電流調(diào)節(jié)器開(kāi)始發(fā)揮作用，使電流調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)按照電壓Uo的增長(zhǎng)速率升高．階段3是輸出電壓調(diào)節(jié)階段，電壓調(diào)節(jié)器退出飽和維持恒定的輸出電壓．
2.2 電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
調(diào)節(jié)過(guò)程表明，調(diào)節(jié)器的好壞是決定電源品質(zhì)的關(guān)鍵，以下分別是電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法．根據(jù)電源輸出的實(shí)際要求設(shè)定電壓反饋系數(shù)h=1/6，電流反饋系數(shù)f=1/30．假設(shè)dUo/dt≈0，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的近似原則，忽略Uo對(duì)Uo1的反饋?zhàn)饔?，把該系統(tǒng)預(yù)定為典型Ⅰ型二階系統(tǒng)．鑒于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是雙環(huán)控制，設(shè)計(jì)時(shí)按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則依次進(jìn)行．
首先考慮內(nèi)環(huán)參數(shù)的選?。娏髡{(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)設(shè)為Kpin.C(s)，由于dUo/dt≈0且忽略Uo對(duì)Uo1的反饋?zhàn)饔茫实脙?nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)
其中電感L的電阻為r。為使內(nèi)環(huán)成為預(yù)期的典型I型二階系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置方法如下：
式中Kp是調(diào)節(jié)器得比例系數(shù)，C(s)是比例-積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，K是被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，T1、T2是被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣性延遲系數(shù)．按照式（1），內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為
所以內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)
用相同方法配置外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器，設(shè)Gpout(s)=Kpout.C2(s)為外環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，把內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為外環(huán)設(shè)計(jì)的一部分，于是外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)
相應(yīng)地得出Gpout(s)的參數(shù)．
3 仿真結(jié)果及分析
設(shè)定仿真參數(shù)：電壓放大倍數(shù)Ks=6，慣性延遲Ts=0.2ms，輸出濾波電感L=1mH，輸出濾波電容C=1000μF，負(fù)載工作電阻R=1Ω，輸出濾波電感電阻r=0.01Ω.把上述參數(shù)和內(nèi)環(huán)電流反饋f=1/30代入式（2）、式（3）和式（4）分別得：
為了修正整定計(jì)算的假設(shè)條件和克服觀測(cè)器估計(jì)的偏差，在用觀測(cè)器作為反饋的系統(tǒng)中，電壓反饋系數(shù)h調(diào)整為1/6.05，電壓調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kpout調(diào)整為0.03．在上述條件下分別對(duì)用觀測(cè)器估計(jì)輸出電壓作為反饋量和直接取輸出電壓作為反饋量的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，重載時(shí)R=1Ω，輕載時(shí)R=50Ω，其結(jié)果如圖3、圖4所示（Uo、Ufb分別代表用輸出電壓估計(jì)作為反饋的電壓輸出值和電壓反饋值，Uo、Ufb分別代表用直接輸出電壓作為反饋的電壓輸出值和反饋值，Uref是給定參考值）．仿真表明，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)可以實(shí)現(xiàn)PI反饋調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)性能滿足預(yù)期效果，系統(tǒng)靜差在R=1Ω時(shí)為0，在R=50Ω時(shí)為+0.25V．在動(dòng)態(tài)方面，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后系統(tǒng)上升時(shí)間和超調(diào)量在不同負(fù)載情況下略有差別．當(dāng)R=1Ω時(shí)，上升時(shí)間約為0.07s，系統(tǒng)的超調(diào)量約為0；當(dāng)R=50Ω時(shí)，上升時(shí)間約為0.025s，系統(tǒng)的超調(diào)量約為55％.（可以根據(jù)二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)，計(jì)算該電源系統(tǒng)的上升時(shí)間、超調(diào)量等動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)）．
4結(jié)論
仿真結(jié)果證明，依據(jù)狀態(tài)觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的正確性和可行性，同時(shí)驗(yàn)證了雙環(huán)控制系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性．在實(shí)際電路中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電壓傳感器的雙閉環(huán)控制．對(duì)比R=1Ω和R=50Ω兩種代表性負(fù)載的電壓輸出波形，重載的輸出波形明顯好于輕載輸出波形，輕載時(shí)調(diào)整外環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)可以得到和重載一樣好的輸出波形，故采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器有望獲得寬負(fù)載范圍的高品質(zhì)電源．
關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；觀測(cè)器；狀態(tài)反饋；雙環(huán)控制
DC/DC變換電路是重要的電源電路之一．供給DC/DC電路的供電電源常有波動(dòng)，同時(shí)，用電負(fù)載也常有變化，在要求不高的場(chǎng)合可以直接使用，在要求較為嚴(yán)格的場(chǎng)合為保證電源在各種擾動(dòng)下有優(yōu)良的輸出品質(zhì)，需要對(duì)輸入電壓做擾動(dòng)補(bǔ)償、對(duì)輸出負(fù)載電壓進(jìn)行反饋補(bǔ)償．文獻(xiàn)[1]基于觀測(cè)器理論提出無(wú)電流傳感器模型（SCM）控制，改善了噪聲帶來(lái)的不確定性，提高了電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍．根據(jù)反饋理論，電流反饋可以改善內(nèi)環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，而電壓反饋則可改善輸出電壓品質(zhì)．為提高DC/DC電源的輸出電壓品質(zhì)，通常需要對(duì)輸出電壓隔離取樣做反饋控制，因此如何迅速準(zhǔn)確地獲得電源輸出電壓的測(cè)量值，就成為決定DC/DC變換電路品質(zhì)的重要因素．但是多數(shù)電壓隔離檢測(cè)元器件都存在溫度漂移大、線性不理想、電路復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]針對(duì)常用電壓檢測(cè)元件存在的問(wèn)題，提出了運(yùn)用降維觀測(cè)器對(duì)輸出電壓進(jìn)行估計(jì)．實(shí)際中，能否依照反饋量合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器是決定電源品質(zhì)優(yōu)劣的決定因素．針對(duì)反饋量的品質(zhì)要求，本文基于文獻(xiàn)[1]提出了無(wú)電壓傳感器DC/DC電源的設(shè)計(jì)方法，依據(jù)典型I型二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，分別對(duì)電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用文獻(xiàn)[2]的結(jié)果不需要直接測(cè)量輸出電壓即可獲得雙環(huán)控制，從而提高了電源動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)．
1 DC/DC變換電路和降維觀測(cè)器
DC/DC變換電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1開(kāi)環(huán)DC/DC變換電路的結(jié)構(gòu)框圖
取狀態(tài)變量X1=Uo1，X2=Uo，X3=I，得
進(jìn)而得出DC/DC變換器的降維觀測(cè)器方程：
2 無(wú)電壓傳感器DC/DC電源設(shè)計(jì)
2.1 電源組成和工作原理
功率開(kāi)關(guān)放大器和輸出L-C濾波器是DC/DC電源的基本組成部分，無(wú)電壓傳感器DC/DC電源在此基礎(chǔ)上，利用文獻(xiàn)[2]的結(jié)果實(shí)現(xiàn)反饋，并增加電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器，如圖2所示，提高電源的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性．
在突加給定U*的起動(dòng)過(guò)程中，電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器分別依次給出控制信號(hào)，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階段．第1階段是電流上升階段，突加給定電壓，由于濾波電感和濾波電容的慣性作用，電壓調(diào)節(jié)器處在飽和狀態(tài)，電流I線性增加，直到設(shè)定的值Imax，進(jìn)入階段2。階段2是對(duì)電容恒流充電過(guò)程，此時(shí)輸出電壓Uo呈線性增加，影響電流，電流調(diào)節(jié)器開(kāi)始發(fā)揮作用，使電流調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)按照電壓Uo的增長(zhǎng)速率升高．階段3是輸出電壓調(diào)節(jié)階段，電壓調(diào)節(jié)器退出飽和維持恒定的輸出電壓．
2.2 電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
調(diào)節(jié)過(guò)程表明，調(diào)節(jié)器的好壞是決定電源品質(zhì)的關(guān)鍵，以下分別是電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法．根據(jù)電源輸出的實(shí)際要求設(shè)定電壓反饋系數(shù)h=1/6，電流反饋系數(shù)f=1/30．假設(shè)dUo/dt≈0，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的近似原則，忽略Uo對(duì)Uo1的反饋?zhàn)饔?，把該系統(tǒng)預(yù)定為典型Ⅰ型二階系統(tǒng)．鑒于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是雙環(huán)控制，設(shè)計(jì)時(shí)按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則依次進(jìn)行．
首先考慮內(nèi)環(huán)參數(shù)的選?。娏髡{(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)設(shè)為Kpin.C(s)，由于dUo/dt≈0且忽略Uo對(duì)Uo1的反饋?zhàn)饔茫实脙?nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)
其中電感L的電阻為r。為使內(nèi)環(huán)成為預(yù)期的典型I型二階系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置方法如下：
式中Kp是調(diào)節(jié)器得比例系數(shù)，C(s)是比例-積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，K是被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，T1、T2是被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣性延遲系數(shù)．按照式（1），內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為
所以內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 用相同方法配置外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器，設(shè)Gpout(s)=Kpout.C2(s)為外環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，把內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為外環(huán)設(shè)計(jì)的一部分，于是外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)
相應(yīng)地得出Gpout(s)的參數(shù)．
3 仿真結(jié)果及分析
設(shè)定仿真參數(shù)：電壓放大倍數(shù)Ks=6，慣性延遲Ts=0.2ms，輸出濾波電感L=1mH，輸出濾波電容C=1000μF，負(fù)載工作電阻R=1Ω，輸出濾波電感電阻r=0.01Ω.把上述參數(shù)和內(nèi)環(huán)電流反饋f=1/30代入式（2）、式（3）和式（4）分別得：
為了修正整定計(jì)算的假設(shè)條件和克服觀測(cè)器估計(jì)的偏差，在用觀測(cè)器作為反饋的系統(tǒng)中，電壓反饋系數(shù)h調(diào)整為1/6.05，電壓調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kpout調(diào)整為0.03．在上述條件下分別對(duì)用觀測(cè)器估計(jì)輸出電壓作為反饋量和直接取輸出電壓作為反饋量的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，重載時(shí)R=1Ω，輕載時(shí)R=50Ω，其結(jié)果如圖3、圖4所示（Uo、Ufb分別代表用輸出電壓估計(jì)作為反饋的電壓輸出值和電壓反饋值，Uo、Ufb分別代表用直接輸出電壓作為反饋的電壓輸出值和反饋值，Uref是給定參考值）．仿真表明，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)可以實(shí)現(xiàn)PI反饋調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)性能滿足預(yù)期效果，系統(tǒng)靜差在R=1Ω時(shí)為0，在R=50Ω時(shí)為+0.25V．在動(dòng)態(tài)方面，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后系統(tǒng)上升時(shí)間和超調(diào)量在不同負(fù)載情況下略有差別．當(dāng)R=1Ω時(shí)，上升時(shí)間約為0.07s，系統(tǒng)的超調(diào)量約為0；當(dāng)R=50Ω時(shí)，上升時(shí)間約為0.025s，系統(tǒng)的超調(diào)量約為55％.（可以根據(jù)二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)，計(jì)算該電源系統(tǒng)的上升時(shí)間、超調(diào)量等動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)）．
4結(jié)論
仿真結(jié)果證明，依據(jù)狀態(tài)觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的正確性和可行性，同時(shí)驗(yàn)證了雙環(huán)控制系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性．在實(shí)際電路中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電壓傳感器的雙閉環(huán)控制．對(duì)比R=1Ω和R=50Ω兩種代表性負(fù)載的電壓輸出波形，重載的輸出波形明顯好于輕載輸出波形，輕載時(shí)調(diào)整外環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)可以得到和重載一樣好的輸出波形，故采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器有望獲得寬負(fù)載范圍的高品質(zhì)電源．
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