專利名稱：基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Boost電路的建模方法及其應(yīng)用，特別是一種基于有限狀態(tài)機(jī)(finite state machines，F(xiàn)SM)的Boost電路建模方法及其應(yīng)用，屬于電力電子技術(shù)和混雜系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年出現(xiàn)的混雜系統(tǒng)使得電力電子電路控制理論的研究成為可能，也為電力電子系統(tǒng)的建模提供了許多新的方案，諸如自動(dòng)機(jī)模型、混雜Petri網(wǎng)模型、切換系統(tǒng)模型、混合邏輯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型等。
從系統(tǒng)工作特點(diǎn)看，電力電子電路是一種典型的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，由于開關(guān)器件的存在，而具有多種工作模式，不同的工作模式對(duì)應(yīng)于不同的電路拓?fù)洌β书_關(guān)的開通與關(guān)斷來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同模式間轉(zhuǎn)換。而作為混雜動(dòng)態(tài)建模的自動(dòng)機(jī)理論——用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)Boost電路建立的模型十分精確，并易于分析系統(tǒng)的控制特性，特別是變換器系統(tǒng)的一些由開關(guān)切換引起的復(fù)雜特性。
目前已研究的建模方法主要有狀態(tài)空間平均法、開關(guān)平均法等方法。它們都是一種近似的方法，平均作用簡化了系統(tǒng)模型，犧牲了系統(tǒng)的精確度。它只對(duì)緩慢變化的信號(hào)有效，在高頻開關(guān)狀態(tài)與實(shí)際有較大的偏差；它只能在宏觀上了解變換器的性能，無法準(zhǔn)確的得到它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，有必要采用一種適合變換器開關(guān)特性的系統(tǒng)分析方法對(duì)其進(jìn)行分析和建模，混雜系統(tǒng)能夠使電力電子電路精確建模。因此，研究一種對(duì)電力電子電路精確建模的方法將是對(duì)電力電子電路分析的一個(gè)重要研究內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法及其應(yīng)用，利用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)Boost變換器建立精確的模型，通過所建模型能夠分析得出變換器控制系統(tǒng)完整的控制特性，可以從混雜系統(tǒng)的角度來分析電路的變化規(guī)律、控制策略以及故障診斷等；在電力電子系統(tǒng)中引入現(xiàn)代非線性理論，彌補(bǔ)電力電子系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)理論，促使電力電子技術(shù)向更高的層次發(fā)展。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于它包括以下工作步驟 (1)分析Boost主電路，確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，得出工作狀態(tài)的個(gè)數(shù)； (2)確定Boost電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，從而確定系統(tǒng)的離散事件； (3)確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量，建立Boost電路的狀態(tài)方程和輸出方程； (4)根據(jù)電路參數(shù)確定系統(tǒng)的輸入矩陣、狀態(tài)矩陣和輸出矩陣； (5)利用有限狀態(tài)機(jī)建立Boost電路的模型。
上述所說的步驟(1)中Boost電路是由恒壓源、儲(chǔ)能電感、濾波電容、二極管、功率開關(guān)器件和負(fù)載電阻組成；其中，儲(chǔ)能電感一端連接恒壓源正極，另一端既連接二極管正極，又連接功率開關(guān)器件一端；功率開關(guān)器件另一端連接恒壓源負(fù)極；二極管負(fù)極既與濾波電容相連接，又與電阻連接；濾波電容另一端和電阻另一端連接到恒壓源負(fù)極；其中，所說的功率開關(guān)器件可以是晶閘管、IGBT等開關(guān)器件。
上述所說的步驟(1)中系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括3個(gè)狀態(tài)分別是電感的儲(chǔ)能過程，穩(wěn)壓電容的充電過程，和電感電流的斷續(xù)過程；其中，電感的儲(chǔ)能過程是指當(dāng)功率開關(guān)器件處于通態(tài)時(shí)，二極管截止，恒壓源作用于電感兩端，向電感充電，電感電流iL線性上升；穩(wěn)壓電容的充電過程是指當(dāng)功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，二極管快速導(dǎo)通，恒壓源和電感共同向電容充電，并向負(fù)載提供能量；電感電流的斷續(xù)過程是指在功率開關(guān)器件處于斷態(tài)的期間，電感電流iL下降速度較快，在下一周期SW導(dǎo)通之前，iL已經(jīng)衰減到零，從而出現(xiàn)了電流的斷續(xù)狀態(tài)。
上述所說的步驟(2)中狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件為t≥t1+ton；t≥t1+Ts；iL≤0& &t<t1+Ts。
上述所說的步驟(2)中離散事件是指Boost電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，主要是來自開關(guān)器件的開通與關(guān)斷；電路中所有電力電子器件導(dǎo)通或關(guān)斷的一種組合就是一個(gè)離散事件，離散事件即控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)著電力電子電路在各個(gè)工作拓?fù)渲星袚Q，其離散事件狀態(tài)總是與電路工作模式相對(duì)應(yīng)。
上述所說的步驟(3)中狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量分別是指電感電流iL和電容電壓UC、恒壓源US、輸出電壓UR。
上述所說的步驟(3)中Boost電路的狀態(tài)方程和輸出方程為 通過狀態(tài)方程和輸出方程來方便地刻畫系統(tǒng)的行為。
上述所說的步驟(4)中輸入矩陣、狀態(tài)矩陣和輸出矩陣分別是 上述所說的步驟(5)中有限狀態(tài)機(jī)部分包括輸入變量電感電流iL，輸入常量開關(guān)周期Ts和導(dǎo)通時(shí)間ton，輸出變量Sa，Sb控制狀態(tài)矩陣和輸入矩陣的選擇。
本發(fā)明的工作原理為 該模型反映了Boost電路的每一個(gè)工作模態(tài)，利用有限狀態(tài)機(jī)輸出二進(jìn)制信號(hào)，來選擇相應(yīng)的矩陣，來確定某一工作模態(tài)的狀態(tài)方程和輸出方程，從而確定輸出的電容電壓和電感電流。
Boost電路根據(jù)電感的穩(wěn)態(tài)伏秒平衡原理，通過控制電壓占空比來達(dá)到Boost變換器的升壓性能。
結(jié)合Boost電路拓?fù)鋱D，確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量，得出系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程；由于功率開關(guān)管的作用，系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)，在每個(gè)工作狀態(tài)有著不同的拓?fù)?，通過分析各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，可以確定整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的混雜系統(tǒng)，得出各個(gè)工作模式的狀態(tài)方程；利用有限狀態(tài)機(jī)的邏輯判斷能力，通過輸出參數(shù)來選擇狀態(tài)矩陣和輸入矩陣，從而構(gòu)建了不同時(shí)刻內(nèi)的狀態(tài)方程，來控制系統(tǒng)的輸出電壓和電感電流，建立了Boost電路的有限狀態(tài)機(jī)模型；自動(dòng)機(jī)理論中的有限自動(dòng)機(jī)模型，是一個(gè)有效的對(duì)混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模的工具。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、利用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)Boost電路建立的模型十分精確，并易于分析系統(tǒng)的控制特性，特別針對(duì)變換器系統(tǒng)的一些由開關(guān)切換引起的復(fù)雜特性；2、Boost電路具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。


附圖1為本發(fā)明所涉一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法的BOOST電路拓?fù)鋱D。
附圖2為本發(fā)明所涉一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法的BOOST電路的有限狀態(tài)機(jī)示意圖。
附圖3為本發(fā)明所涉一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法的BOOST電路整體結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，Us為Boost電路的輸入電壓源；L為儲(chǔ)能電感；C為濾波電容；R為負(fù)載電阻；SW為功率開關(guān)器件；IDEAL為二極管；為狀態(tài)方程，其中，m＝1，2；n＝1，2；A1，A2，B1，B2分別為相應(yīng)狀態(tài)的狀態(tài)矩陣，輸入矩陣；iL，Ts，ton分別為有限狀態(tài)機(jī)FSM的輸入電感電流、周期和開關(guān)管閉合時(shí)間；Sa，Sb分別為有限狀態(tài)機(jī)FSM的輸出。
具體實(shí)施例方式 實(shí)施例一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法(見附圖1、2、3)，其特征在于它包括以下工作步驟 (1)分析Boost主電路，確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，得出工作狀態(tài)的個(gè)數(shù)； (2)確定Boost電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，從而確定系統(tǒng)的離散事件； (3)確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量，建立Boost電路的狀態(tài)方程和輸出方程； (4)根據(jù)電路參數(shù)確定系統(tǒng)的輸入矩陣、狀態(tài)矩陣和輸出矩陣； (5)利用有限狀態(tài)機(jī)建立Boost電路的模型。
上述所說的步驟(1)中Boost電路(見附圖1)是由恒壓源、儲(chǔ)能電感、濾波電容、二極管、功率開關(guān)器件和負(fù)載電阻組成；其中，儲(chǔ)能電感一端連接恒壓源正極，另一端既連接二極管正極，又連接功率開關(guān)器件一端；功率開關(guān)器件另一端連接恒壓源負(fù)極；二極管負(fù)極既與濾波電容相連接，又與電阻連接；濾波電容另一端和電阻另一端連接到恒壓源負(fù)極；其中，所說的功率開關(guān)器件可以是晶閘管、IGBT等開關(guān)器件。
上述所說的步驟(1)中系統(tǒng)的工作狀態(tài)(見附圖2、3)包括3個(gè)狀態(tài)分別是電感的儲(chǔ)能過程，穩(wěn)壓電容的充電過程，和電感電流的斷續(xù)過程；其中，電感的儲(chǔ)能過程是指當(dāng)功率開關(guān)器件處于通態(tài)時(shí)，二極管截止，恒壓源作用于電感兩端，向電感充電，電感電流iL線性上升；穩(wěn)壓電容的充電過程是指當(dāng)功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，二極管快速導(dǎo)通，恒壓源和電感共同向電容充電，并向負(fù)載提供能量；電感電流的斷續(xù)過程是指在功率開關(guān)器件處于斷態(tài)的期間，電感電流iL下降速度較快，在下一周期SW導(dǎo)通之前，iL已經(jīng)衰減到零，從而出現(xiàn)了電流的斷續(xù)狀態(tài)。
上述所說的步驟(2)中狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件(見附圖2、3)為t≥t1+ton；t≥t1+Ts；iL≤0& &t<t1+Ts。
上述所說的步驟(2)中離散事件(見附圖2、3)是指Boost電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，主要是來自開關(guān)器件的開通與關(guān)斷；電路中所有電力電子器件導(dǎo)通或關(guān)斷的一種組合就是一個(gè)離散事件，離散事件即控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)著電力電子電路在各個(gè)工作拓?fù)渲星袚Q，其離散事件狀態(tài)總是與電路工作模式相對(duì)應(yīng)。
上述所說的步驟(3)中狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量(見附圖2、3)分別是指電感電流iL和電容電壓UC、恒壓源US、輸出電壓UR。
上述所說的步驟(3)中Boost電路的狀態(tài)方程和輸出方程(見附圖2、3)為 通過狀態(tài)方程和輸出方程來方便地刻畫系統(tǒng)的行為，其中取狀態(tài)方程為m＝1，2；n＝1，2。
上述所說的步驟(4)中輸入矩陣、狀態(tài)矩陣和輸出矩陣(見附圖2、3)分別是 上述所說的步驟(5)中有限狀態(tài)機(jī)(見附圖2、3)部分包括輸入變量電感電流iL，輸入常量開關(guān)周期Ts和導(dǎo)通時(shí)間ton，輸出變量Sa，Sb控制狀態(tài)矩陣和輸入矩陣的選擇。
權(quán)利要求
1、一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于它包括以下工作步驟
(1)分析Boost主電路，確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，得出工作狀態(tài)的個(gè)數(shù)；
(2)確定Boost電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，從而確定系統(tǒng)的離散事件；
(3)確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量，建立Boost電路的狀態(tài)方程和輸出方程；
(4)根據(jù)電路參數(shù)確定系統(tǒng)的輸入矩陣、狀態(tài)矩陣和輸出矩陣；
(5)利用有限狀態(tài)機(jī)建立Boost電路的模型。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(1)中Boost電路是由恒壓源、儲(chǔ)能電感、濾波電容、二極管、功率開關(guān)器件和負(fù)載電阻組成；其中，儲(chǔ)能電感一端連接恒壓源正極，另一端既連接二極管正極，又連接功率開關(guān)器件一端；功率開關(guān)器件另一端連接恒壓源負(fù)極；二極管負(fù)極既與濾波電容相連接，又與電阻連接；濾波電容另一端和電阻另一端連接到恒壓源負(fù)極；其中，所說的功率開關(guān)器件可以是晶閘管、IGBT等開關(guān)器件。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(1)中系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括3個(gè)狀態(tài)分別是電感的儲(chǔ)能過程，穩(wěn)壓電容的充電過程，和電感電流的斷續(xù)過程；其中，電感的儲(chǔ)能過程是指當(dāng)功率開關(guān)器件處于通態(tài)時(shí)，二極管截止，恒壓源作用于電感兩端，向電感充電，電感電流iL線性上升；穩(wěn)壓電容的充電過程是指當(dāng)功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，二極管快速導(dǎo)通，恒壓源和電感共同向電容充電，并向負(fù)載提供能量；電感電流的斷續(xù)過程是指在功率開關(guān)器件處于斷態(tài)的期間，電感電流iL下降速度較快，在下一周期SW導(dǎo)通之前，iL已經(jīng)衰減到零，從而出現(xiàn)了電流的斷續(xù)狀態(tài)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(2)中狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件為t≥t1+ton；t≥t1+Ts；iL≤0 & &t<t1+Ts。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(2)中離散事件是指Boost電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，主要是來自開關(guān)器件的開通與關(guān)斷；電路中所有電力電子器件導(dǎo)通或關(guān)斷的一種組合就是一個(gè)離散事件，離散事件即控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)著電力電子電路在各個(gè)工作拓?fù)渲星袚Q，其離散事件狀態(tài)總是與電路工作模式相對(duì)應(yīng)。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(3)中狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量分別是指電感電流iL和電容電壓UC、恒壓源US、輸出電壓UR。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(3)中Boost電路的狀態(tài)方程和輸出方程為
通過狀態(tài)方程和輸出方程來方便地刻畫系統(tǒng)的行為。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(4)中輸入矩陣、狀態(tài)矩陣和輸出矩陣分別是
9、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法，其特征在于所說的步驟(5)中有限狀態(tài)機(jī)部分包括輸入變量電感電流iL，輸入常量開關(guān)周期Ts和導(dǎo)通時(shí)間ton，輸出變量Sa，Sb控制狀態(tài)矩陣和輸入矩陣的選擇。
10、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法的應(yīng)用，其特征在于通過所建模型能夠分析得出變換器控制系統(tǒng)完整的控制特性，能夠從混雜系統(tǒng)的角度來分析電路的變化規(guī)律、控制策略以及故障診斷。
全文摘要
一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Boost電路建模方法及其應(yīng)用，其特征在于它包括以下工作步驟①確定工作狀態(tài)個(gè)數(shù)；②確定工作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件；③建立數(shù)學(xué)方程；④根據(jù)參數(shù)確定矩陣；⑤建立模型；本發(fā)明的優(yōu)越性在于利用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)Boost電路建立的模型十分精確，并易于分析系統(tǒng)的控制特性，特別針對(duì)變換器系統(tǒng)的一些由開關(guān)切換引起的復(fù)雜特性；Boost電路具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101393578SQ200810152799
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月3日
發(fā)明者馬幼捷, 陳德樹, 周雪松, 密 田, 郭潤睿, 輝 王 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)