电流源型有源双桥DC‑DC变换器的最优前馈控制方法技术

本发明专利技术涉及电流源型有源双桥DC‑DC变换器的最优前馈控制方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源领域。本发明专利技术公开的控制方法通过引入输出电流的前馈量，并设计最优前馈系数，达到减小输出阻抗，从而改善系统动态性能，并配合等占空比与移相控制，提高了系统的可靠性。本发明专利技术基于系统的数学模型，参数设计简单，易于实际应用，极大降低控制单元的复杂程度，实现实时控制。本发明专利技术可应用于高频隔离开关电源方向。

【技术实现步骤摘要】
电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法
本专利技术涉及电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，尤其涉及一种有源双桥双向DC-DC变换器系统动态性能的改善，属于电力电子领域的高频隔离开关电源领域。
技术介绍
由蓄电池供电的电气传动系统被广泛应用于电动交通工具和一些伺服系统，通常希望其中的电力功率变换器具有双向传输的能力，因此，具有双向功率流的变换器得到发展。因储能系统需要适应很宽范围的输入和较小的电流纹波，电流原型双有源桥(CFDAB)是一个很好的选择。双有源桥(DAB)的稳态特征，如环流损耗，无功损耗，低压侧的软开关等，已经被各研究者研究。等效漏感值被设计用来实现ZVS，但其对动态性能的影响微乎其微。事实上，动态性能对DAB尤其是电机传动系统至关重要。在电机加速阶段，高电压母线的电压将会下降，极有可能导致变频器的欠压保护。另一方面，直流母线的电压在电机制动时将会急剧上升。因此，在电机加速和制动频繁出现的场合，必须保证其快速的动态性能。前馈控制可以很好地改善系统的动态响应，并抑制单向功率流变换器的二次谐波，因此在变换器系统内引入前馈控制。但对于传统的前馈控制，并未提出一种普世有效的前馈控制器参数的设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，用以确定系统的最优前馈系数，进而大大改善系统的动态性能。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。常用类型的有源双桥双向DC-DC变换器包含三个控制变量，包括一次侧全桥电路的两个桥臂中心点之间的电压vab，二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压vcd，以及变压器一次侧电压vab和变压器二次侧电压vcd之间的移向角。电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，包括如下步骤：步骤一、对变换器系统进行小信号建模，确立系统的数学模型，并将其写为式(1)的形式其中，为该系统输入电流扰动量，为移相角扰动量。步骤二、根据步骤一所求出的系统传递函数表达式画出该系统小信号模型下的系统控制框图。步骤三、根据步骤二绘制出的系统控制框图，写出系统的输出阻抗表达式，其形式如式(2)其中，为输出电流扰动量，为输出电压扰动量。须注意，根据小信号模型理论，在求输出阻抗时，应使其他所有扰动量为零。步骤四、根据式(2)求出的输出阻抗表达式，令其取值最小，由此可解得前馈补偿器的最优补偿系数Kop。电机负载下的电流扰动量主要来自于低频区域，因此所述最优的前馈补偿系数Kop可近似由式(3)确定。所述的变换器系统为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。变换器系统包含电流反馈回路作为系统内环，输出电流io通过前馈补偿器Ko的输出，与系统反馈控制器Gv(s)的输出相叠加，作为系统的电流内环控制器的参考电流iref，系统的电流内环控制器Gi(s)的输出作为移相控制器的输入，联合低压侧的PWM控制器产生移相角进而对系统进行双PWM双移相控制。系统的电流内环的给定是前馈补偿器的输出与系统反馈补偿器输出之和。同时，输出电流io反应的是负载的变化。当负载发生变化时，该变化能够非常迅速地经过前馈补偿器引起系统产生相应的迅速调整，因此，输出电流io实际可视为扰动作用，控制实际上是偏差控制和扰动控制的结合。最优前馈控制的引入，显著地提升了系统的动态性能。有益效果1、本专利技术公开的一种电流源型有源双桥DC-DC变换器最佳前馈控制，通过引入输出电流的前馈，并经过优化后，可大幅降低系统的输出阻抗，极大的改善系统的动态响应性能。所述的控制器通过引入输出电流的最优前馈控制，并配合双PWM双移相控制，降低了系统的输出阻抗，使得输出电压对输出电流变化的敏感度极大下降，极大地改善了系统的动态性能。并且，基于数学模型的前馈控制，具有良好的精度和稳定可靠的特点，该控制方法优于不加次前馈控制的普通PID补偿器。2、本专利技术公开的电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，配合双PWM双移相控制，可很好地降低各器件的电流应力。附图说明图1为本实施例的单模块双有源桥双向DC-DC变换器电路结构示意图；图2为本实施例的最佳系数前馈控制框图；图3为本实施例的小信号控制框图；图4为不同前馈系数下的输出阻抗频率特性图；图5为有最优前馈控制和无最优前馈控制的切载动态响应图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术加以详细说明，同时也叙述了本专利技术技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。实施例1：以对常用类型的一种双向DC-DC变换器控制为例说明本专利技术公开的一种电流源型有源双桥DC-DC变换器最佳前馈控制的可实现性和有益效果。常用类型的单模块双有源桥双向DC-DC变换器如附图1所示。如图所示，变换器为双向双有源桥DC-DC变换器，一次侧为一个有源全桥电路，二次侧也是一个有源全桥电路。a，b点分别为一次侧有源桥的两个桥臂各自的中点；c,d点分别为二次侧有源桥的两桥臂各自的中点；vab为a点与b点之间的电压差；vcd为c点和d点之间的电压差。ip和is为变换器的变压器一次侧以及二次侧的电流。V1为一次侧的直流电压；V2为二次侧的直流电压。本实施例所采用的控制框图如图2所示。结合图2，本实施例公开的一种电流源型有源双桥DC-DC变换器最佳前馈控制，包括如下步骤，步骤一、确定变换器二次侧直流输出电压给定vref；步骤二、对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压进行采样，分别记为vin和vo；计算输出电压给定值vref与输出电压vo的差值，所述的差值作为输出电压调节器的输入；步骤三、对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电流进行采样，分别即为iin和io；输出电流采样值io作为前馈补偿器的输入；步骤四、设计最优前馈补偿系数。(1)对电流源型有源双桥系统即图1电路拓扑进行小信号建模，确立系统的数学模型，如式(1)(2)根据所求出的系统传递函数表达式画出该系统小信号模型下的控制框图，如图3所示。(3)根据上面绘制出的系统控制框图，写出系统的输出阻抗表达式，其形式如式(2)其中须注意，在求输出阻抗时，应使其他所有扰动量为零。(4)根据(2)式求出的输出阻抗表达式，令其取值最小，由此可解得前馈补偿器的最优补偿系数Kop。电机负载下的电流扰动量主要来自于低频区域，因此所述最优的前馈补偿系数Kop可近似由式(6)确定。步骤四、前馈补偿器的输出与与电压调节器的输出的和，作为各模块电流内环的电流给定值iref；计算电流给定iref与输入电流iin的差值，所述的差值作为移相控制器的输入；步骤五、移相控制器同时根据步骤三中的电流差值与占空比D，二者联合产生移相角控制信号移相控制器的输出作为该模块的输入，通过驱动单元产生对应的开关管驱动信号，控制高压侧有源全桥的四个开关管的开通与关断，使该模块有源桥高压侧电压vcd与低压侧电压vab形成相位差，以达到控制输出功率的目的。本实施例所述的变换器系统参数为低压侧输入电压V1＝18～28V，高压侧输出电压V2＝300V，输入电感L1＝L2＝11μH，漏感Lr＝1.0μH，变压器变比为2:10，开关频率为50kHz。本实施例所述的控制方法及其电路拓扑工作过程如下：变换器开始上电工作后，对于v2电压的本文档来自技高网...

【技术保护点】
电流源型有源双桥DC‑DC变换器的最优前馈控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、对变换器系统进行小信号建模，确立系统的数学模型，并将其写为式(1)的形式

【技术特征摘要】
1.电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、对变换器系统进行小信号建模，确立系统的数学模型，并将其写为式(1)的形式其中，为该系统输入电流扰动量，为移相角扰动量；步骤二、根据步骤一所求出的系统传递函数表达式画出该系统小信号模型下的系统控制框图；步骤三、根据步骤二绘制出的系统控制框图，写出系统的输出阻抗表达式，其形式如式(2)其中，为输出电流扰动量，为输出电压扰动量；须注意，根据小信号模型理论，在求输出阻抗时，应使其他所有扰动量为零；步骤四、根据式(2)求出的输出阻抗表达式，令其取值最小，由此可解得前馈补偿器的最优补偿系数Kop。2.如权利要求1所述的电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，其特征在于：变换器系统包含电流反馈回路作为系统内环，输出电流io通过前...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙德尚，陈德亮，张健坤，袁文琦，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11