本發(fā)明涉及功率變換器中的電流檢測技術(shù)，具體是利用非光滑觀測方法和離散化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對電流的快速、高精度的估計(jì)。

背景技術(shù)：

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，在各種電力電子器件中，低電壓器件的應(yīng)用越來越廣泛，對于降壓變換器輸出電流的要求也越來越高。降壓變換器是一種通過將高壓直流電變?yōu)榈蛪褐绷麟?，從而給負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓的功率變換器。

根據(jù)上述所說功率變換器的技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一種能夠精確檢測電流的方法具有重要的實(shí)際和工程意義。目前，功率變換器中的電流檢測方法有以下幾種：a.采用在電感旁穿小電阻的，通過檢測小電阻兩端的電壓差實(shí)現(xiàn)對流過小電阻的電流檢測，這種方法雖然電路簡單但缺點(diǎn)是檢測電阻上產(chǎn)生的電壓會對電路的計(jì)算產(chǎn)生誤差且難以集成于芯片內(nèi)部；b.基于運(yùn)算放大器的電路特性，即虛短和虛斷應(yīng)用到檢測電流中，優(yōu)點(diǎn)是電流檢測精度高，但是存在帶寬的限制，響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)；c.濾波器檢測技術(shù)，測量的是平均電流，不能實(shí)現(xiàn)對電感電流的實(shí)時監(jiān)測，也沒有過流保護(hù)的功能。d.采用小量程霍爾電流傳感器，雖然電路較為簡單，但存在成本高，主控電路需要隔離，易受外電路干擾產(chǎn)生誤差等缺點(diǎn)；e.采用電流互感電路，雖然成本較低，電路簡單，但缺點(diǎn)是主控電路需要隔離且檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

對比上述情況，每種檢測方法都存在著自身的優(yōu)缺點(diǎn)，而在實(shí)際應(yīng)用中，電路會處在不同的干擾環(huán)境下。此時，這些方法難以達(dá)到理想的實(shí)時檢測效果?；诖耍景l(fā)明提出了一種基于非光滑觀測技術(shù)的電流檢測方法，能有效的抑制一定范圍內(nèi)系統(tǒng)模型不確定和外界干擾的影響，實(shí)現(xiàn)電流的快速檢測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題，提供了一種精度較高，安全性好，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，并且適用于功率變換器領(lǐng)域上的電流信號的實(shí)時檢測。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于非光滑觀測技術(shù)的功率變換器電流檢測方法，包括以下三個步驟：

步驟一：建立Buck變換器的數(shù)學(xué)模型；

步驟二：根據(jù)非光滑觀測技術(shù)，設(shè)計(jì)電流觀測器；

步驟三：電流觀測器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

具體地，所述步驟一中建立Buck變換器的數(shù)學(xué)模型：列出電感電流i_L的微分方程和輸出電壓v₀微分方程

其中：μ為開關(guān)狀態(tài)；V_in為輸入電壓值；L是電感；C是電容，R是電阻。

考慮到變換器存在內(nèi)部和外部擾動，可將以上模型精確表示如下：

其中，其中V_in0、L₀、R₀、C₀是實(shí)際檢測出來的常數(shù)值，ΔV_in0、ΔL、ΔR、ΔC分別表示其對應(yīng)的擾動不確定因素，ξ₁(t)和ξ₂(t)具體的表達(dá)式如下：

利用變換器的輸出電壓即可實(shí)現(xiàn)對電流的觀測。

進(jìn)一步，通過對Buck變換器的輸出電壓v₀進(jìn)行采樣，采用PID控制器，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，進(jìn)而控制電感電流i_L和輸出電壓v₀。

具體地，所述步驟二：根據(jù)非光滑觀測技術(shù)，設(shè)計(jì)電流觀測器：

其中，K₁、K₂為觀測器增益，輸出電壓觀測值，為電流觀測值；sig^α(x)＝sign(x)|x|^α,α>0，且m₁＝1+τ,m₂＝1+2τ，

進(jìn)一步，在設(shè)計(jì)電流觀測器時，采用離散化方法，可將觀測器方程寫成：

其中，和表示觀測的輸出電壓v₀和電感電流i_L的狀態(tài)值，和表示v₀和i_L的后一個狀態(tài)，這里可取v₀(1)＝0，

當(dāng)時，上述觀測器退化為滑模觀測器，即:

具體的，所述步驟三中電流觀測器的具體實(shí)現(xiàn)包括兩個部分：包括硬件部分和軟件部分。

進(jìn)一步，硬件部分為搭建功率變換器主電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、保護(hù)和驅(qū)動電路模塊。功率變換器主電路模塊如圖1所示，包括二極管VD、電感L、負(fù)載電阻R、電容C以及電源U_i和開關(guān)V，所述開關(guān)V采用效率較高適用于開關(guān)電源中的MOSFET場效應(yīng)管；所述數(shù)據(jù)采集模塊是通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)步驟一中輸出電壓信號v₀的采集，由于DSP中ADC使用的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓是3.3V，可采集電壓信號范圍為0～3.3V，為使輸出電壓值滿足采樣條件，需要對輸出電壓進(jìn)行分壓后采集，這里采用先串聯(lián)后并聯(lián)到負(fù)載的方法，即在負(fù)載端串聯(lián)一個小電阻后并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管；所述保護(hù)電路模塊包含過壓過流保護(hù)，以及相應(yīng)的隔離措施以減小由外界環(huán)境干擾而造成的誤差。所述驅(qū)動電路模塊為三極管IGBT的驅(qū)動，本文中驅(qū)動模塊采用的是東芝公司生產(chǎn)的TLP250驅(qū)動器，具有隔離和驅(qū)動的功能，輸入信號為DSP的PWM輸出。

進(jìn)一步，軟件部分是根據(jù)步驟二的表達(dá)式，以DSP為整個算法的控制核心，采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335DSP芯片，在該平臺上編寫相應(yīng)的控制算法，來實(shí)現(xiàn)對電流的實(shí)時觀測。上述具體步驟為：首先利用數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓信號v₀傳送給TMS320F28335DSP，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其次以數(shù)字化的v₀作為輸入，和作為電壓電流的狀態(tài)變量，利用離散化方法，編寫電流觀測器的控制算法，并運(yùn)用PI控制來減小超調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)對電路信號的觀測。由于DSP具有快速強(qiáng)大的運(yùn)算功能，且受外部環(huán)境影響較小，能夠滿足實(shí)現(xiàn)對電流信號快速且精確的實(shí)時觀測。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明設(shè)計(jì)的電流檢測方法，運(yùn)用非光滑觀測技術(shù)，能有效的抑制一定范圍的系統(tǒng)模型和外界干擾的作用，與此同時能有效跟蹤檢測的目標(biāo)，且具有較好的魯棒性和適應(yīng)性。

2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的電流檢測方法，運(yùn)用離散化技術(shù)，其原理簡單，不需要硬件傳感器，且對電流的預(yù)測精度較高，成本較低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明降壓變換器的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為觀測器對電感電流的觀測曲線圖；

圖4為圖3中觀測曲線的局部放大圖；

圖5為電感電流的觀測值與實(shí)際值之間誤差圖；

圖6為觀測器對輸出電壓的觀測曲線圖；

圖7為圖6中觀測曲線的局部放大圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種基于非光滑觀測技術(shù)的功率變換器電流檢測方法。該方法是將Buck功率變換器作為廣義的控制對象，實(shí)現(xiàn)對電流信號的精確觀測。整個系統(tǒng)由Buck主電路模塊和觀測模塊兩個模塊組成。主電路模塊是由Buck電路和PID反饋控制構(gòu)成，其中PID控制器實(shí)現(xiàn)對降壓變換器輸出控制。觀測模塊主要是實(shí)現(xiàn)對電流的觀測。首先，通過對電路的輸出電壓v₀進(jìn)行采樣，并根據(jù)主電路回路建立電感電流i_L和輸出電壓v₀的數(shù)學(xué)模型；然后，基于數(shù)學(xué)模型，利用非光滑技術(shù)構(gòu)造電流觀測器，并保證電流觀測誤差的收斂性，從而最終實(shí)現(xiàn)了對Buck變換器中電感電流的觀測。由于非光滑觀測器中的分?jǐn)?shù)冪項(xiàng)，能夠有效提高觀測系統(tǒng)的收斂性能和抗擾動性能，進(jìn)而可以對電流信號實(shí)現(xiàn)快速且精確的實(shí)時觀測。該電流觀測器結(jié)構(gòu)簡單易，容易實(shí)現(xiàn)，解決了一般電流觀測器中出現(xiàn)的不精確、振蕩以及易受干擾等問題。

以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

步驟一、建立功率變換器電路模型

如圖1所示，功率變換的電路原理圖，以Buck電路為例，由于可控開關(guān)管存在“開通”和“關(guān)斷”兩種狀態(tài)，對應(yīng)變換器也存在兩種工作模態(tài)：

(1)當(dāng)開關(guān)V開通時，功率變換狀態(tài)可以描述為：

(2)當(dāng)開關(guān)V關(guān)斷時，功率變換器狀態(tài)可以描述為：

根據(jù)以上(1)和(2)兩種情況，可以列出功率變換器的一種平均狀態(tài)，可以描述為：

其中，μ表示開關(guān)狀態(tài)，用“0”和“1”分別表示開關(guān)的開通和關(guān)斷狀態(tài)。

考慮到變換器存在內(nèi)部和外部擾動，將上述模型精確表示如下：

其中，V_in0、L₀、R₀、C₀是實(shí)際檢測出來的常數(shù)值，ΔV_in0、ΔL、ΔR、ΔC分別表示其對應(yīng)的擾動不確定因素，經(jīng)變換，可將上述表達(dá)式表示為：

其中，ξ₁(t)和ξ₂(t)是將擾動項(xiàng)提取出來后的表達(dá)式，具體的表達(dá)式如下：

本發(fā)明中，對開關(guān)管的控制是通過對Buck變換器的輸出電壓v₀進(jìn)行采樣，采用PID控制，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，進(jìn)而控制電感電流i_L和輸出電壓v₀。

圖2給出了整個功率變換器電流檢測方案的框圖，包括Buck功率變換器的主電路，以及電流觀測兩個模塊，通過對輸出電壓v₀進(jìn)行采樣，設(shè)計(jì)電流檢測方案，實(shí)現(xiàn)對Buck變換器電感電流的精確觀測。

步驟二、根據(jù)非光滑觀測技術(shù)，設(shè)計(jì)電流觀測器

針對如圖2所示的Buck功率變換器，設(shè)計(jì)功率變換器的電流檢測器為：

其中，τ為非光滑指數(shù)，越靠近-1/2，表明非光滑程度越高，m1、m2是由τ決定的非光滑系數(shù)，這里m₁＝1+τ，m₂＝1+2τ，輸出電壓觀測值；sig^α(x)＝sign(x)|x|^α,α>0，時，上述觀測器退化為滑模觀測器，即：

本發(fā)明在設(shè)計(jì)電流觀測器時，采用離散化方法，可將觀測器方程寫成：

其中，和表示觀測的輸出電壓v₀和電感電流i_l的狀態(tài)值，和表示v₀和i_L的后一個狀態(tài)；本發(fā)明實(shí)施例中取v₀(1)＝0，

實(shí)施例：電流檢測器的仿真實(shí)現(xiàn)

功率變換器的仿真是基于Matlab環(huán)境下的M函數(shù)，編寫C語言程序，運(yùn)行得到數(shù)值表并進(jìn)行分析，利用m函數(shù)使得算法結(jié)果更精確，且有著計(jì)算量小，計(jì)算過程方便等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例中，τ＝-2/7，則m₁＝5/7，m₂＝3/7，K₁＝3，K₂＝1，L＝3.3×10^-4H，V_in＝30V，C＝10^-3F，R＝50Ω，輸出電壓參考值V_ref＝15V。

圖3給出了功率變換器電流檢測對Buck電路電感電流的檢測，通過離散化處理，對5001個采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，周期5s，圖中虛線代表電流觀測值實(shí)線代表電感電流的真實(shí)值i_L，圖4為圖3的局部放大圖，從仿真圖可以看出，觀測值與實(shí)際值之間趨勢保持一致。圖5為觀測值與電流實(shí)際值之間的誤差曲線圖，圖中可以看出在一個仿真周期內(nèi)，電流誤差小于0.003A，觀測結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖6還給出了觀測器對變換器輸出電壓的觀測，虛線為觀測的輸出電壓值，實(shí)線為輸出電壓真實(shí)值，圖7是圖6的局部放大圖，從仿真圖中可以看出檢測值與輸出電壓的總體方向是一致的。

綜上所述，本發(fā)明將功率變換器作為廣義的研究對象，以Buck變換器為例，考慮到外部和內(nèi)部擾動情況，分析電感電流和輸出電壓之間的關(guān)系，得出電感電流i_L和輸出電壓v₀的數(shù)學(xué)模型，基于得到的數(shù)學(xué)模型，利用非光滑觀測技術(shù)，設(shè)計(jì)電流觀測器，對Buck變換器中的電感電流進(jìn)行觀測，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電感電流的快速精確觀測，且能在有限時間內(nèi)有效的抑制一定范圍的系統(tǒng)模型和外界干擾作用，與此同時能有效跟蹤檢測的目標(biāo)，且其具有較好的魯棒性和適應(yīng)性。本發(fā)明的方法同樣適用于Boost變換器，并且同樣適用于對電壓的檢測。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。