一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，包括：建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量，预测下一控制周期的状态变量；基于输入的下一控制周期的输出电流指令，计算下一控制周期的滤波电感电流指令和滤波电容电压指令；基于下一控制周期的状态变量和下一控制周期的输出指令，建立数字功率放大器的能量函数；以能量函数为李雅普诺夫函数，求得使李雅普诺夫函数导数最小的子系统；基于子系统控制所述数字功率放大器的开关动作，在下一控制周期将电声换能系统切换至所述子系统。本发明专利技术提供一种电声换能系统的输出控制方法，在保证系统稳定的前提下实现对输出电流高精度跟踪，同时可以有效地降低数字功放开关损耗。

An Output Control Method of Digital Power Amplifier Based on NPC Inverter

【技术实现步骤摘要】
一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法
本专利技术实施例涉及海洋探测和海洋通信领域技术，尤其涉及一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法。
技术介绍
海洋地处国防前哨，是维护国家安全的重要屏障，也是我国“一带一路”战略的重要载体，其研究对维护我国海洋权益、打造海洋强国意义重大。经略海洋，装备先行。用于探测海洋资源和构建海底地形地貌的海底电声换能系统必将成为未来海洋经济竞争的重要技术和装备，已成为未来世界强国竞争的战略制高点。但是由数字功率放大器和水声换能器构成的海底电声换能系统要求在宽频带范围内使输出电流，也即水声换能器工作电流对多样化的电流指令进行高精度跟踪，而系统稳定是实现高质量跟踪的前提和关键。现有的控制方法无法兼顾系统稳定性和控制效果，且数字功率放大器中功率开关器件开关损耗较高。因此海底电声换能系统迫切需要一种可在保证系统稳定的前提下实现对输出电流高精度跟踪且能有效降低数字功放开关损耗的控制方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，在保证系统稳定的前提下实现对输出电流高精度跟踪，同时可以有效地降低数字功放开关损耗。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，适应于电声换能系统，电声换能系统包括基于NPC逆变器的数字功率放大器和超磁致伸缩型水声换能器，方法包括：建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量x(k)＝[if(k)VO(k)iO(k)]T，预测下一控制周期的状态变量x(k+1)＝[if(k+1)VO(k+1)iO(k+1)]T，其中，所述状态变量x包括滤波电感电流if、滤波电容电压VO和水声换能器电流iO；基于输入的下一控制周期的输出电流指令iOref(k+1)，计算下一控制周期的滤波电感电流指令ifref(k+1)和滤波电容电压指令VOref(k+1)；基于下一控制周期的状态变量x(k+1)和下一控制周期的输出指令xref(k+1)，建立数字功率放大器的能量函数V(xe)＝xeTPxe，其中，xe＝x(k+1)-xref(k+1)，正定矩阵P＝diag{Lf，Cf，LO}，所述下一控制周期的输出指令xref(k+1)＝[ifref(k+1)VOref(k+1)iOref(k+1)]T，Lf表示滤波电感，Cf表示滤波电容，LO表示水声换能器等效电感；以所述能量函数为李雅普诺夫函数，求得使所述李雅普诺夫函数导数最小的子系统；基于所述子系统控制所述数字功率放大器的开关动作，在下一控制周期将电声换能系统切换至所述子系统。可选的，所述建立预测模型，包括：在每个控制周期内，对数字功率放大器的状态变量进行采样；基于采样数据，建立预测模型。可选的，所述建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量，预测下一控制周期的状态变量，包括：所述预测模型为：xi(k+1)＝(I+AiTS)xi(k)+BiTS，i∈K，K＝{1，2，3，4，5}；其中，xi(k)为当前控制周期的子系统i下的状态变量，xi(k+1)为在当前控制周期的子系统i下，预测的下一控制周期的状态变量，I为单位矩阵，Ai＝A＝Ts为控制周期的时间，B1＝2B，B2＝B，B3＝0，B4＝-B，B5＝-2B，A、B为根据所述电声换能系统的主电路参数形成的系数矩阵，rf表示滤波电感寄生电阻，RO表示水声换能器等效电阻，Vdc为数字功率放大器的最小输出正电平。可选的，所述基于输入的下一控制周期的输出电流指令，计算下一控制周期的滤波电感电流指令和滤波电容电压指令，包括：基于以下公式，计算下一控制周期的滤波电容电压指令：其中，iOref(k)为当前控制周期的输出电流指令；基于以下公式，计算下一控制周期的滤波电感电流指令：其中，VOref(k)为当前控制周期的滤波电感电流指令。可选的，所述以所述能量函数为李雅普诺夫函数，求得使所述李雅普诺夫函数导数最小的子系统，包括：基于以下公式计算使所述李雅普诺夫函数导数最小的子系统：σ(k+1)＝argmini∈K{(xi(k+1)-xref(k+1))TP(xi(k+1)-xref(k+1))}。可选的，所述基于所述子系统控制所述数字功率放大器的开关动作，在下一控制周期将电声换能系统切换至所述子系统，包括：若σ(k+1)＝1，则开关组合S＝[11000011]；若σ(k+1)＝2，则S＝[11000110]或[01100011]均可；若σ(k+1)＝3，则S＝[01100110]；若σ(k+1)＝4，则S＝[01101100]或[00110110]均可；若σ(k+1)＝5，则S＝[00111100]；若σ(k+1)＝σ(k)，则保持各开关状态不变。本专利技术实施例提供的基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，通过建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量，预测下一控制周期的状态变量；基于下一控制周期的状态变量和下一控制周期的输出指令，建立数字功率放大器的能量函数，以能量函数为李雅普诺夫函数，求得使李雅普诺夫函数导数最小的子系统；基于该子系统控制数字功率放大器的开关动作，在下一控制周期将电声换能系统切换至该子系统。本专利技术实施例在保证系统稳定的前提下实现对输出电流高精度跟踪，同时可以有效地降低数字功放开关损耗。附图说明图1为本专利技术实施例提供的电声换能系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法的流程图；图3为电声换能系统在子系统1和2之间切换时的开关动作次数统计图；图4为电声换能系统在子系统2和3之间切换时的开关动作次数统计图；图5为电声换能系统在子系统3和4之间切换时的开关动作次数统计图；图6为电声换能系统在子系统4和5之间切换时的开关动作次数统计图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。本专利技术实施例提供了一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，图1为本专利技术实施例提供的电声换能系统的结构示意图，如图1所示，海底电声换能系统包括两桥臂中点钳位型(NeutralPointClamped，NPC)逆变拓扑的数字功率放大器10和水声换能器20两部分。数字功率放大器20的直流侧由两个直流电压源Vs提供，交流侧可输出五电平交变电压，分别为2Vdc，Vdc，0，-Vdc和-2Vdc五个电平。经LC滤波器滤除高频分量后得到低频交变电能以驱动水声换能器20。水声换能器为在应变系数、能量转换效率方面有绝对优势的磁致伸缩型换能器，由于它在谐振频率点以下频段为阻感特性，而用于水下通信和测距的电声换能系统工作频段为低频段，因此图1中将水声换能器等效为阻感负载。图1中rf表示滤波电感寄生电阻，Lf表示滤波电感，Cf表示滤波电容，LO表示水声换能器等效电感，RO表示水声换能器等效电阻。由于数字功率放大器的输出电压可有2Vdc，Vdc，0，-Vdc，-2Vdc五个电平，则根据基尔霍夫电压定律可得电声换能系统的动态方程为：i∈K，K＝{1，2，3，4，5}其中，if、Vo和io分别为滤波电感电流，滤波电容电压和水声换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，其特征在于，适应于电声换能系统，电声换能系统包括基于NPC逆变器的数字功率放大器和超磁致伸缩型水声换能器，方法包括：建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量x(k)＝[if(k)VO(k)iO(k)]

【技术特征摘要】
1.一种基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，其特征在于，适应于电声换能系统，电声换能系统包括基于NPC逆变器的数字功率放大器和超磁致伸缩型水声换能器，方法包括：建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量x(k)＝[if(k)VO(k)iO(k)]T，预测下一控制周期的状态变量x(k+1)＝[if(k+1)VO(k+1)iO(k+1)]T，其中，所述状态变量x包括滤波电感电流if、滤波电容电压VO和水声换能器电流iO；基于输入的下一控制周期的输出电流指令iOref(k+1)，计算下一控制周期的滤波电感电流指令ifref(k+1)和滤波电容电压指令VOref(k+1)；基于下一控制周期的状态变量x(k+1)和下一控制周期的输出指令xref(k+1)，建立数字功率放大器的能量函数V(xe)＝xeTPxe，其中，xe＝x(k+1)-xref(k+1)，正定矩阵P＝diag{Lf，Cf，LO}，所述下一控制周期的输出指令xref(k+1)＝[ifref(k+1)VOref(k+1)iOref(k+1)]T，Lf表示滤波电感，Cf表示滤波电容，LO表示水声换能器等效电感；以所述能量函数为李雅普诺夫函数，求得使所述李雅普诺夫函数导数最小的子系统；基于所述子系统控制所述数字功率放大器的开关动作，在下一控制周期将电声换能系统切换至所述子系统。2.根据权利要求1所述的基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，其特征在于，所述建立预测模型，包括：在每个控制周期内，对数字功率放大器的状态变量进行采样；基于采样数据，建立预测模型。3.根据权利要求1所述的基于NPC逆变器的数字功率放大器的输出控制方法，其特征在于，所述建立预测模型，基于当前控制周期的状态变量，预测下一控制周期的状态变量，包括：所述预测模型为：xi(k+1)＝(I+AiTS)xi(k)+BiTS，i∈K，K＝{1，2，3，4，5}；其中，xi(k)为当...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，魏新伟，汪洪亮，徐千鸣，何志兴，李民英，陈燕东，陈宇，章兢，戴瑜兴，
申请(专利权)人：广东志成冠军集团有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44