一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统技术方案

本发明专利技术属于高压直流电源相关设备领域，并公开了一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统，其包括被控对象，采样模块，控制模块和信号变换模块，其中对被控对象和控制模块的具体组成结构及工作算法等多个方面做出优化设计。通过本发明专利技术，可通过数字控制实现输出电压从几百伏到数千伏范围的连续调压，同时整体电压控制不依赖系统的精确模型，输出电压精度高，且系统的动态响应性、稳定性和鲁棒性高；相应有效解决了现有的宽范围调压需通过复杂电路拓扑才能实现的困境，弥补了现有高压直流电源稳压控制方案的低精度和低鲁棒性的不足。

A Wide Range Voltage Regulating and Voltage Regulating Control System for High Voltage DC Power Supply

The invention belongs to the field of equipment related to high voltage direct current power supply, and discloses a wide range voltage regulation and voltage stabilization control system of high voltage direct current power supply, which includes controlled object, sampling module, control module and signal conversion module, in which the concrete structure and working algorithm of controlled object and control module are optimized. Through the present invention, the output voltage can be continuously regulated from several hundred volts to several thousand volts by digital control, and the whole voltage control does not depend on the precise model of the system, so the output voltage has high precision, and the dynamic responsiveness, stability and robustness of the system are high; accordingly, the dilemma of the existing wide-range voltage regulation can be effectively solved by complex circuit topology, which makes up for it. The low precision and low robustness of the existing voltage stabilization control schemes for HVDC power supply are insufficient.

【技术实现步骤摘要】
一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统
本专利技术属于高压直流电源相关设备领域，更具体地，涉及一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统。
技术介绍
高压直流电源在许多领域中发挥着重大作用，如军事领域的雷达发射器，研究领域的等离子体物理设备，医疗领域的X光机和CT机，工业领域的静电喷涂和静电纺丝等都有高发直流电源的身影。高压直流电源通过几十年的发展，目前已经到数字化控制阶段，即通过单一的数字芯片实现高压直流电源系统的整体控制。目前，由于工况要求，需要高压直流电源能够从几百伏到几千伏的宽范围连续调压，且保证输出电压稳定和高精度，因此近年来，国内外在高压直流电源的宽范围调压拓扑和稳压控制方案上进行了一些研究。例如，在调压拓扑上，CN200710124704.X公布了一种宽范围调压电路及宽范围实现方法，其通过降压型变换器和升压型变换器的有效结合来拓宽调压范围；在稳压控制方案上，CN201510996778.7公布了一种DC-AC逆变器离散控制和预测控制方法，其通过建立能够体现逆变器混杂特性的离散时间状态空间模型，解决了传统控制方案中忽略PWM脉宽周期内系统动态行为的缺点，为预测控制方案设计提供模型基础。然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然具备以下的缺陷或不足：首先，目前在宽范围调压实现的过程中，大多基于模拟调压进行拓扑创新研究，从而来实现更宽范围的调压，这样的实现方法复杂且调压范围有限。；其次，在输出电压稳压控制方面，基于传统的PID控制的数字高压直流电源，其在控制参数整定过程中对系统建模的精确性要求高，由于系统组成复杂，很难建立准确描述系统的数学模型，又基于开关电源技术的高压直流电源系统的非线性、系统元件参数的波动、负载和输入电压的变化等会导致PID控制器的控制不准确；最后，由于系统的操作环境、输入电压范围等都会随机切换，固定的PID控制参数很难适应环境的变化，系统鲁棒性不高。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统，其中通过对该系统的整体电路组成以及关键组成元件如控制模块等的具体组成构造及算法机理等方面作出改进，相应能够通过数字控制实现高压直流电源系统宽范围调压，其在单一数字芯片控制下，实现输出电压从几百到数千伏的连续调节，同时在输出电压稳压控制上不依赖系统的精确模型，保证输出电压高精度和系统的高稳定性、高动态响应性和鲁棒性。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统，该系统包括被控对象、采样模块、控制模块和信号变换模块，其特征在于：所述被控对象包括依次电路相连的全桥逆变谐振变换器、全桥母线电压控制器、变压器和倍压整流器，其用于输入电压Uin，最后输出高压直流电Uo；所述采样模块包括高压信号到低压信号的变换隔离电路，并用于对所述倍压整流器获取高压输出信号，然后输出为低幅值的采样信号；所述控制模块包括AD转换器、模糊控制器、模糊推理器、PID控制器、预测补偿器、EPWM产生器，其中该AD转换器与所述采样模块的输出端相连，并将采样信号转换成对应的数字量后，与预设的系统输出目标电压AD转换值Uset进行差值运算，由此得到误差值e以及该误差值随着时间变化的误差变化率de/dt；该模糊控制器与所述AD转换器信号相连，将数域内的误差值e和误差变化率de/dt分别转换成模糊域内的E和EC，通过模糊域内的模糊规则完成模糊推理，得出模糊域内的PID三个控制参数Kf、Tif和Tdf，最后通过模糊判决将模糊域内的三个控制参数转换到数域的K、Ti、Td，即获得对应的PID控制参数，然后发送给所述PID控制器；该PID控制器用于将代表PWM占宽比的数值输入到所述预测补偿器进行数字延时补偿，并计算得出新的PWM占宽比，然后经由所述EPWM产生器产生对应的低电平PWM信号；所述信号变换模块用于将所述低电平PWM信号经过电压变换后产生高电平的PWM信号，然后输入到所述全桥逆变谐振变换器和所述全桥母线电压控制器的控制端，由此实现对整个系统的闭环控制。作为进一步优选地，输入至所述全桥母线电压控制器的电压可以为直流电，或者是交流电经过变换得到的直流电。作为进一步优选地，所述全桥母线电压控制器优选为Buck降压型变换器或者Boost升压型变换器，并且其用于控制所述全桥逆变谐振变换器的母线电压的数值大小。作为进一步优选地，对于所述全桥逆变谐振变换器而言，其所输出的电压经过所述变压器和背压整流器变换后，输出为幅值为千伏级的高压直流电。作为进一步优选地，所述EPWM产生器的时基时钟频率优选被设定为远大于所述全桥逆变谐振变换器的开关管最高开关频率，并且前者优选为后者的5000倍左右。作为进一步优选地，所述全桥母线电压控制器的开关管的开关频率量级优选被设置为千赫兹级；相应地，所述全桥逆变谐振变换器的开关管的最高开关频率优选被设置为所述全桥母线电压控制器的开关管的开关频率的十倍以上。作为进一步优选地，对于所述全桥逆变谐振变换器而言，当输入至此的电压变化小时，其采用LCC谐振变换器作为谐振电路；而当输入至此的电压变化大时，其采用LLC谐振变换器作为谐振电路。作为进一步优选地，所述全桥母线电压控制器的开关管控制方式为PWM控制方式，与此相应地，所述全桥逆变谐振变换器的开关管控制方式优选为PFM控制方式。作为进一步优选地，对于所述全桥逆变谐振变换器而言，它的开关管的调节频率的范围优选采用以下公式来计算及确定：其中，Y表示该全桥逆变谐振变换器的电压增益，n表示所述变压器的电压增益，m表示所述倍压整流器的电压增益，θ为所述倍压整流器中二极管的导通角，CGD为并联谐振电容与串联谐振电容之比，Q为谐振回路品质因数，fG为LLC和LCC谐振变换器的归一化频率，β为变压器次级及其之后部分组成的二端口网络的基波电压与基波电流之间的相位差，且β＝-25sinθ。作为进一步优选地，对于上述系统而言，其调压模式优选设定如下：当用户设定电压大于输出端实际输出电压时，开始时采用全桥母线控制器进行调压，当全桥母线控制器开关管脉宽调节到最大时，此时启动全桥调频调压方式，直到实际输出电压达到用户设定电压为止；当用户设定电压小于输出端实际输出电压时，开始时采用全桥母线控制器调压方式，当全桥母线控制器开关管脉宽调节到最小时，此时启动全桥调频调压方式，直到实际输出电压达到用户设定电压为止。作为进一步优选地，所述倍压整流器优选为四倍压整流器，其输入端为所述变压器的次级输出端；所述变压器次级的一个脚同时连接到电容C1、C2的一端，该变压器次级的另一个脚连接到二极管D1的阳极、D2的阴极，同时连接到两个电容C3、C4的一个脚，与此同时电容C1的另外一个脚连接到所述二极管D1的阴极和二极管D3的阳极，所述电容C2的另外一个脚连接到所述二极管D2的阳极和二极管D4的阴极，所述电容C3的另一个脚连接到所述二极管D3的阳极，同时连接到电感L的一个脚；所述电容C4的另一个脚连接到所述二极管D4的阳极，同时连接到电容C5的一个脚，所述电感L的另一个脚连接到所述电容C5的另一个脚；高压从所述电容C5的两端输出，靠近所述电感L的一端为正极。作为进一步优选地，所述PID控制参数的计算过程优选如下：首先通过建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统，该系统包括被控对象(1)、采样模块(2)、控制模块(3)和信号变换模块(4)，其特征在于：所述被控对象(1)包括依次电路相连的全桥逆变谐振变换器(11)、全桥母线电压控制器(12)、变压器(13)和倍压整流器(14)，其用于输入电压Uin，最后输出高压直流电Uo；所述采样模块(2)包括高压信号到低压信号的变换隔离电路，并用于对所述倍压整流器(14)获取高压输出信号，然后输出为低幅值的采样信号；所述控制模块(3)包括AD转换器(31)、模糊控制器(323)、模糊推理器(324)、PID控制器(325)、预测补偿器(33)、EPWM产生器(34)，其中该AD转换器(31)与所述采样模块的输出端相连，并将采样信号转换成对应的数字量后，与预设的系统输出目标电压AD转换值Uset进行差值运算，由此得到误差值e以及该误差值随着时间变化的误差变化率de/dt；该模糊控制器(323)与所述AD转换器(31)信号相连，将数域内的误差值e和误差变化率de/dt分别转换成模糊域内的E和EC，通过模糊域内的模糊规则完成模糊推理，得出模糊域内的PID三个控制参数Kf、Tif和Tdf，最后通过模糊判决将模糊域内的三个控制参数转换到数域的K、Ti、Td，即获得对应的PID控制参数，然后发送给所述PID控制器(325)；该PID控制器(325)用于将代表PWM占宽比的数值输入到所述预测补偿器(33)进行数字延时补偿，并计算得出新的PWM占宽比，然后经由所述EPWM产生器产生对应的低电平PWM信号；所述信号变换模块(4)用于将所述低电平PWM信号经过电压变换后产生高电平的PWM信号，然后输入到所述全桥逆变谐振变换器(11)和所述全桥母线电压控制器(12)的控制端，由此实现对整个系统的闭环控制。...

【技术特征摘要】
1.一种高压直流电源的宽范围调压和稳压控制系统，该系统包括被控对象(1)、采样模块(2)、控制模块(3)和信号变换模块(4)，其特征在于：所述被控对象(1)包括依次电路相连的全桥逆变谐振变换器(11)、全桥母线电压控制器(12)、变压器(13)和倍压整流器(14)，其用于输入电压Uin，最后输出高压直流电Uo；所述采样模块(2)包括高压信号到低压信号的变换隔离电路，并用于对所述倍压整流器(14)获取高压输出信号，然后输出为低幅值的采样信号；所述控制模块(3)包括AD转换器(31)、模糊控制器(323)、模糊推理器(324)、PID控制器(325)、预测补偿器(33)、EPWM产生器(34)，其中该AD转换器(31)与所述采样模块的输出端相连，并将采样信号转换成对应的数字量后，与预设的系统输出目标电压AD转换值Uset进行差值运算，由此得到误差值e以及该误差值随着时间变化的误差变化率de/dt；该模糊控制器(323)与所述AD转换器(31)信号相连，将数域内的误差值e和误差变化率de/dt分别转换成模糊域内的E和EC，通过模糊域内的模糊规则完成模糊推理，得出模糊域内的PID三个控制参数Kf、Tif和Tdf，最后通过模糊判决将模糊域内的三个控制参数转换到数域的K、Ti、Td，即获得对应的PID控制参数，然后发送给所述PID控制器(325)；该PID控制器(325)用于将代表PWM占宽比的数值输入到所述预测补偿器(33)进行数字延时补偿，并计算得出新的PWM占宽比，然后经由所述EPWM产生器产生对应的低电平PWM信号；所述信号变换模块(4)用于将所述低电平PWM信号经过电压变换后产生高电平的PWM信号，然后输入到所述全桥逆变谐振变换器(11)和所述全桥母线电压控制器(12)的控制端，由此实现对整个系统的闭环控制。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，输入至所述全桥母线电压控制器(12)的电压可以为直流电，或者是交流电经过变换得到的直流电。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述全桥母线电压控制器(12)优选为Buck降压型变换器或者Boost升压型变换器，并且其用于控制所述全桥逆变谐振变换器(11)的母线电压的数值大小。4.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，对于所述全桥逆变谐振变换器而言，其所输出的电压经过所述变压器和倍压整流器变换后，输出为幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建魁，谭万州，黎波，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42