一种用于无电流传感器PWMDC-DC转换器的数字平均电流模式控制外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种用于无电流传感器PWMDC-DC转换器的数字平均电流模式控制

Ying Qiu, Helen Liu, 和 Xiyou Chen

摘要：本文介绍了一种用于只能依靠电压取样的脉宽调制DC-DC转换器的数字平均电流模式控制技术。该方法是使用一阶离散低通滤波器估计电感电流。因此，控制器可以计算每个开关周期的平均电感电流。作为一种新型的预测电流控制技术，它是通过先选择合适的占空比调节谷电感电流，然后消除估计平均电感电流与在后续的开关周期中基准电流之间的误差来研究。该算法是基于一个双回路控制结构来实现精确的电压调节，并且推导出三个基本变换器：降压，升压，降压-升压。所提出的方法的有效性已经通过一个DC-DC升压变换器的仿真和实验结果表明.

关键词：平均电流估计，连续导通模式（CCM），数字控制，脉宽调制DC-DC转换器。

Ⅰ.引言

在最近几年，由于它们在系统噪声和模拟分量变化的低敏感性，易于与其他数字系统集成，实现复杂控制方案的能力，和由软件[1] - [8]更新控制器的能力，脉宽调制的DC-DC转换器的数字控制的方法已被研究人员接受和研究。其中一个主要的数字控制技术是数字电流模式控制，这种控制是以电流传感器的电感电流反馈为基础进行控制。该控制器的目的是维持电感电流与基准电流相等，使转换器可以实现快速瞬态响应和内置过载保护。要执行一个实用的数字电流模式控制，以下问题必须考虑：首先是开发一个低噪声，宽的带宽，简单，电流无损耗的检测技术，第二需要设计一个对计算时间延迟不敏感的算法。对于第一个问题，在要求一个精确转换电路的方面仍然具有挑战性。第二个问题可以通过执行一定的预测算法解决，此算法可以提前计算开关周期的占空比。

一些关于DC-DC变换器的数字电流模式控制技术已经在文献[9] - [13]中有所研究。在[9]和[10]中，一个电流无差拍控制算法曾用于研究消除计算时间延迟。 然而，占空比在每两个开关周期仅更新一次。预测数字电流编程控制算法作为基于电感电流的几何关系已被提出[11]，以此作为一个解决方法。它可以在两三个周期内消除上述问题并实现目标电流。 在此外，控制规则适用于谷值电流，峰值电流和平均电流控制方法，它可以为带有选择相应调制方法的自变量进行编程。类似变频预测控制[12]和非预测控制[13]的方法，这些控制算法依赖于精确的高速电感电流检测。

传统上，电流检测是通过使用一个分流电阻获得。但是，电流导通路径中会有功率损耗并且带宽被高增益放大器限制。霍尔效应电流传感器，在另一方面虽然提供了另一种具有低损耗和良好的精确度方面的替代，但价格更高。 霍尔效应传感器的最严重局限性是过电流产生后需要的消磁周期^[14]。此外，所有感应技术不能用来直接测量每个开关周期的平均电流。

为了解决对昂贵的电流感应和放大电路的需求，以观测技术为基础的各种数字电流模式控制技术作为替代被引入^[15]，[16]。在这些调查研究中，观察量由变换器的样本衍生而来，从而使状态变量如电感电流可以由所测量的变量合成，例如输入电压和输出电压。然而，由于小开关周期，处理器的综合限制，和高成本，这些观察量数字化执行过于复杂，凯利和林纳[17]推出了简化的无传感器数字无差拍电流模式控制算法。控制方案是一个标准双回路电流模式控制器。这种控制方法与其它技术相比，主要区别是电感电流是用差分方程估计而来，而不是测量。[18]中记录了关于DC-DC转换器技术在不连续导通模式（DCM）下的无传感电流模式控制的结果。然而，大多数现有的无传感电流模式控制技术着重于电感器电流的峰（或谷）值。实际上，在一些直流 - 直流转换器的应用程序中需要平均电流控制。

本文的目的是介绍一种用于连续传导模式（CCM）下的DC-DC转换器的无传感数字平均电流模式控制技术。所提出的控制策略的基本思想是，基于输入和输出电压的采样使用一阶离散时间的低通滤波器来估计平均电感电流，然后根据由电压控制器给定的基准电流来调节电感电流。预测合适的占空比先用来调节电流谷值，然后消除估计平均电感电流与随后开关周期内的基准电流之间的误差。此方法采用双回路控制结构，并且可以是适用于三个基本类型的转换器：降压，升压和降压 - 升压转换器。所提出的控制技术是比较稳健的，并在一个数字信号处理器中易于编程。此外，该平均电感电流可以在控制器中进行计算，并因此可以在无任何电流传感器的情况下发生快速电流响应。

Ⅱ.电流回路设计

图1.数字估计电流控制升压转换器

在这一部分，我们专注于转换器的电流回路。提出的控制方法是，用采样的输入和输出电压，使得基准电流和实际平均电流（即估计电流）之间的误差减小到零来计算下一个开关周期的占空率的方法。为了不失真，我们假设输入和输出电压的抽样发生在开关周期的开始部分。

1. 平均电流估算技术

电感电流的估计值应通过转换器的动态模型[19]，[20]的全维观测器得到。然而，可以证明，全阶观察器是与三相变换器和电动机[21]- [23]中的降维观察器差不多 。必须注意的是，由于高阶模型，和难以描述寄生效应引起的动态，这些观察器仍然很复杂。在此应用中，降维观测被构造为用于DC-DC转换器的电感器电压的一阶低通滤波器。寄生效应被认为能量损失的保存，且平均电感电流被估计为预测电流控制的反馈。相对准确无损感应技术[24]的好处，如图1所示,离散时间滤波器可以理解为连接到其等效串联电阻（ESR）RL的理想电感器L的导纳。估算法时域方程是：

（1）

在（1）中， 是在第个周期的电感电流，是开关周期，且可表示为：

（2）

其中是占空比，）是的符号。是电源开关开启时间的漏源电压，电源开关关断时间的漏源电压。这个估计技术在数字执行的一个缺点是等待在电源开关的关断时间的取样时产生的计算时间会丢失。因此，只有一小占空比应该由控制器进行选择，以确保足够的计算时间，特别是在高频率操作时。作为解决方法，（1）可以通过使用输入和输出电压采样在开关周期的开始被延长，且估计算法可以被改写为：

（3）

其中是二极管的门限电压。相当于包含若干损失内容的平均电阻，其中最相关的有以下几种：电源开关导通电阻，二极管正向电阻，电感和电容。根据能量守恒平均[25]，可以为升压和降压 - 升压转换器表达为如下所示：

（4）

降压转换器中，可以表达为：

（5）

概括三种类型转换器的估计方法，（3）可以用上升的和电感器电流下降的的斜率改写为：

（6）

公式（6）可用于升压，降压和降压 - 升压转换器。表I列出了这些转换器的电感器电流的斜率。从长远角度来看，漏源电压和也应取样，并（1）和（2）中涉及的估计算法在每一个小时的几个循环中都应瞬时计算。

表Ⅰ

各种转换器电感电流的斜率

图2.平均电流控制下的电感电流波形

其结果可大致认为是实际电感器电流，可以用来校正，使估计方法相对不受温度或老化的影响。

B.平均电流控制技术

如在[11]和[26]所述，平均电流控制具有不稳定的问题。原因是，当平均电感电流固定在基准电流时电感电流谷值可能没有保持恒定。在本节中，一旦一个扰动发生在电流回路时，电感电流谷值将首先调整，使得平均电流与基准电流相等而随后开关周期的谷值电流保持恒定。这里提出的控制方法是用一个周期的响应来实现无振荡平均电流控制。为下一个开关周期预测的新占空比是以采样的电压为基础。所得电感电流波形如图2所示。实线显示出了实际电流波形，而虚线显示出了中间的计算波形。我们假设在第个周期的电感电流谷值具有扰动，被定义为：

（7）

在图2中，灰色区表示第个循环中的电感电流与一个保证在（）次循环中谷值电流保持恒定可能的电感电流的电流差。如果在第个周期的占空比满足如下条件

（8）

然后，电流差值可近似计算

（9）

因此，保证了谷值电流保持在第（）个周期内可以保持恒定的可能的平均电感电流如下预测得出：

（10）

原则上，电流误差可以通过选择一个合适的占空比取消。在此应用中，我们首先调节谷值电流，以确保平均电流误差将在交替开关周期最小化，如下所示：

（11）

使用（7）和（11），可以得到用于预测电流控制的控制规则

（12）

所提出的预测电流控制的稳定性可以使用（11）或（12）进行研究。一旦这个可能平均电感电流满足基准电流，就可以得到一个合适的占空比，使估计平均电流跟随下一个开关周期的基准电流。在另一方面，谷值电流扰动将被设置为零直到。由此得到结论，电流控制器对所有工作点固有稳定。

C.鲁棒性

1）电流估计的鲁棒性：电流估计的稳健性对分析电感电流估计误差便于提供信息。如（3）中，采用了电感器的数值，相当于平均电阻和门限电压，其中是在动态电流估计中占支配地位且确定稳态电流估计。在本节中，我们着重于电流估计在升压转换器开环运行时的鲁棒性。因此，占空比以及等效平均电阻可以被认为是恒定的。让我们定义估计误差为实际平均电感电流减去估计值

（13）

其中，是实际平均电感电流。

为了评估动态电流的估计，我们可以重写（3）来描述实际电流斜率

（14）

如果表示实际电感值和假设值之间的差，估计电流的斜率可以写成

（15）

已知估计误差是随时间变化的，且直到实际电流斜率与估计斜率一致时达到最大。通过设置（14）等于（15），最大估计误差可表示为

（16）

括号内的表达式表达了当估计误差值达到最大时动态电流和稳态电流的差。因此，如式（16）中所示，只要远小于由电感器引起的失配的最大误差会很小，这条件是不难达到的。那是因为实际电感值的变化是缓慢的，且一般来说温度或老化取决于此。

虽然能够校正到如前面提的那样，中的容差仍将降低稳态电感电流的估算精度。

如果代表的数值误差，稳态估计误差可以如下表示：

（17）

因此，所估计的电流将与实际值略有不同，从而导致输出电压有恒定误差。在这种情况下，积分动作应引入电压环路控制器，它可以简单抑制电压误差最至零。此外，为了精确提取，（4）和（5）可以改写为占空比多项式

（18）

其中，等效系数。同时，在稳定状态也可通过输入电压，输出电压和占空比确定

（19）

1. 和（19）中，基于不同占空比的稳态输入和输出电压采样的方程建立。因此，以及可以通过求解优化算法方程得到。在这种情况下，不仅包括前面提到的寄生效应，也包括如转换器的开关损失等影响，并能提高的精度。

2）电流控制的鲁棒性：在（12）中限定的电流控制法的主要缺点是，它的增益取决于参数。由于电感器显著影响电流环路，并且可能从标称值偏离，控制器的鲁棒性必须以表征其范围内的稳定性进行评估。在本节中，我们将讨论电感容差如何影响控制性能。

假设该转换器在稳定状态下工作并且电流估计没有错误。一旦控制的平均电流在开关周期中具有扰动时，考虑到实际的电感值和假设值之间的误差，由电感失配引起的误差可以从（12）中发现

（20）

在预测占空比中的误差将导致下一个开关周期中的平均电流值的误差

（21）

如我们从（21）中观察得到，为了保证该误差减小，我们应该使。此条件并不难满足，并且可以保证控制性能不被电感容差显著影响。

3）导通模式的鲁棒性：一个值得进一步的理论研究问题，是所提出的控制器在面临实际干扰时的鲁棒性，此干扰是由转换器在模式下运行造成的。因此，我们假设元件参数没有误差。此外，基准电流也被认为是恒定的。这个假设是由电压环路的带宽通常比电流

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[148012]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word