并联型辅助电感切换的负载时间最优控制策略研究
发布时间：2020-11-17 06:28
快速负载动态响应是衡量DC/DC变换器供电质量的重要性能指标,其与所采用的控制方案密切相关。传统线性控制方案如PI控制的负载动态性能无法满足现有直流用电设备的要求,目前多采用电路调整方案或者时间最优控制方案获得快速动态响应。尽管时间最优控制策略能在控制层面获得最优的负载动态性能,但其控制效果受制于滤波元件参数。因此,本文以Buck变换器为研究对象,采用动态调节主电路滤波元件参数的思路,结合电荷充放平衡原理,在时间最优控制基础上提出并联型辅助电感切换的负载时间最优控制策略,并将所提控制策略应用于以Buck变换器为结构的直流电源模块上,验证所提控制策略的可行性。本文主要的研究内容有:首先,对主电路滤波参数动态调整方案展开研究,提出辅助并联电感电路和基于辅助并联电感的时间最优控制策略。根据时间最优控制原理,推导Buck变换器动态性能指标与主电路滤波元件参数之间的数学关系。通过数学和仿真分析,得到滤波参数调整能改善负载动态性能的结论,从而提出基于并联电感的变电感参数方案,并设计相应的辅助并联电感电路。同时分析滤波电感参数调整使负载动态性能提升的机理,探索并联变电感电路作用的约束条件,根据电容电荷充放电平衡原理得到辅助电感的取值范围和基于辅助并联电感的时间最优控制算法。其次,对负载动态时主电路滤波电感参数多次调整方案展开研究,提出基于辅助并联电感的序列切换时间最优控制策略。根据基于辅助并联电感的时间最优控制策略数学分析可知动态调整时间已经无法再提升。理论分析得出负载动态时辅助并联电感作用次数与负载动态调整电压的数学关系,得到负载动态时辅助并联电感多次作用能进一步改善动态性能的结论,从而提出序列切换时间最优控制策略。为了保证动态期间充放电平衡,在辅助并联电感多次作用后系统能恢复稳定,依照电荷平衡原理建立数学模型推导出辅助电感切换次数与辅助电感值之间的数学关系,得到辅助电感参数的选取原则以及序列切换时间最优控制的迭代控制算法。最后,对所提控制策略进行仿真和实验验证。在PSIM软件平台上搭建Buck变换器仿真电路,综合所提控制的基本原理设计并搭建了相应的控制电路进行了仿真验证。同时参考仿真电路设计了包含Buck主电路和控制电路的直流电源模块,在直流电源模块上进行了负载电流跳变实验。通过仿真和实验验证所提的两种控制方案的有效性和可行性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46
【部分图文】：
重庆大学硕士学位论文 3 基于辅助并联电感的时间最优控制了 31%；当负载下跳时(6A→1.5A)，TOC-API 方案将调整时间提升了大约 47.4%；辅助电感 La=100μH 时将调整电压提升了 37.1%，辅助电感 La=28μH 时将调整电压提升了 57.1%。3.4.2 实验验证为进一步验证基于辅助并联电感的时间最优控制策略改善Buck变换器动态性能的有效性，依照表 3.1 参数设计了以 Buck 变换器为结构的主流电源模块，同时根据前一小节的控制器设计原理搭建了控制电路，将所提控制应用到直流电源模块上验证所提控制的合理性。
ΔVo-=2.4V。当辅助电感 La=28μH 时，此时对应最小调整电压这种情况，辅助电感在动态期间就切出了主电路。负载电感由 1.5A 跳变到 6A 时，实验动态波形如图3.18(c)所示。整个动态调整时间 ts=22μs，调整电压分为电压跌落和电压过冲，电压跌落为 ΔVo-=2V，电压过冲 ΔVo+=1.3V，辅助电感切出主电路的时刻是动态开始后的 14μs。负载电感由 6A 跳变到 1.5A 时，实验动态波形如图 3.18(d)所示。整个动态调整时间 ts=22μs，电压跌落为 ΔVo-=1V，电压过冲 ΔVo+=1.8V。辅助电感切出主电路的时刻为距离动态开始后 14μs。实验中控制回路的延时 tdelay=2μs，延时会导致值为 0.9V 的额外动态跌落 ΔVdelay。负载电流发生跳变时(1.5A→6A)，时间最优控制的动态波形如图 3.19 所示。当负载电流上跳时，实验结果显示调整时间为 40μs，调整电压为 3.1V。当负载电流下跳时，实验结果显示调整时间为 40μs，调整电压为 3.8V。实验中，因为实际控制回路中有微小的延迟以及采样精度等问题的存在，调整时间和调整电压都要稍微大于仿真结果。在整个动态期间，无论是输出电压还是电感电流的变化轨迹都与理论分析和仿真结果较为相符。
表 4.3 不同控制下的仿真动态性能指标Table 4.3 Indexes of transient performance with different control性能指标控制方案上跳 下跳调整时间 ts调整电压 ΔVo调整时间 ts调整电压 ΔVoTOC 38μs 3.0V 42μs 3.5VSSTOC-API（不考虑 tdelay）22μs 0.9V 22μs 0.9VSSTOC-API（考虑 tdelay）22μs 1.2V 24μs 1.4V4.4.2 实验结果为了验证所提控制策路，设计了以 Buck 变换器为主电路的直流电源模块。电源模块的参数与仿真参数保持一致。图 4.8 为所提 SSTOC-API 策略的实验动态波形。实际控制电路中 tdelay无法避免，实际的控制回路 tdelay经过测量大约为 2μs。
【参考文献】
本文编号：2887185
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46
【部分图文】：
重庆大学硕士学位论文 3 基于辅助并联电感的时间最优控制了 31%；当负载下跳时(6A→1.5A)，TOC-API 方案将调整时间提升了大约 47.4%；辅助电感 La=100μH 时将调整电压提升了 37.1%，辅助电感 La=28μH 时将调整电压提升了 57.1%。3.4.2 实验验证为进一步验证基于辅助并联电感的时间最优控制策略改善Buck变换器动态性能的有效性，依照表 3.1 参数设计了以 Buck 变换器为结构的主流电源模块，同时根据前一小节的控制器设计原理搭建了控制电路，将所提控制应用到直流电源模块上验证所提控制的合理性。
ΔVo-=2.4V。当辅助电感 La=28μH 时，此时对应最小调整电压这种情况，辅助电感在动态期间就切出了主电路。负载电感由 1.5A 跳变到 6A 时，实验动态波形如图3.18(c)所示。整个动态调整时间 ts=22μs，调整电压分为电压跌落和电压过冲，电压跌落为 ΔVo-=2V，电压过冲 ΔVo+=1.3V，辅助电感切出主电路的时刻是动态开始后的 14μs。负载电感由 6A 跳变到 1.5A 时，实验动态波形如图 3.18(d)所示。整个动态调整时间 ts=22μs，电压跌落为 ΔVo-=1V，电压过冲 ΔVo+=1.8V。辅助电感切出主电路的时刻为距离动态开始后 14μs。实验中控制回路的延时 tdelay=2μs，延时会导致值为 0.9V 的额外动态跌落 ΔVdelay。负载电流发生跳变时(1.5A→6A)，时间最优控制的动态波形如图 3.19 所示。当负载电流上跳时，实验结果显示调整时间为 40μs，调整电压为 3.1V。当负载电流下跳时，实验结果显示调整时间为 40μs，调整电压为 3.8V。实验中，因为实际控制回路中有微小的延迟以及采样精度等问题的存在，调整时间和调整电压都要稍微大于仿真结果。在整个动态期间，无论是输出电压还是电感电流的变化轨迹都与理论分析和仿真结果较为相符。
表 4.3 不同控制下的仿真动态性能指标Table 4.3 Indexes of transient performance with different control性能指标控制方案上跳 下跳调整时间 ts调整电压 ΔVo调整时间 ts调整电压 ΔVoTOC 38μs 3.0V 42μs 3.5VSSTOC-API（不考虑 tdelay）22μs 0.9V 22μs 0.9VSSTOC-API（考虑 tdelay）22μs 1.2V 24μs 1.4V4.4.2 实验结果为了验证所提控制策路，设计了以 Buck 变换器为主电路的直流电源模块。电源模块的参数与仿真参数保持一致。图 4.8 为所提 SSTOC-API 策略的实验动态波形。实际控制电路中 tdelay无法避免，实际的控制回路 tdelay经过测量大约为 2μs。
【参考文献】
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本文编号：2887185
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