电子变换器的稳压控制方法及装置与流程

1.本发明涉及电子变换器控制技术领域，具体涉及一种电子变换器的稳压控制方法及装置。


背景技术：

2.随着功率半导体行业的迅猛发展，高电压、大电流等电源设备应用于功率半导体的各种参数特性测试中。此时，需要电子变换器将电源设备的输入电压转换成负载所需参考电压。
3.现有技术中的电子变换器中的输出电压的控制方式为开环控制，即：在输入电压一定的情况下，输出电压一般由拓扑结构决定，占空比固定，导致输出电压会随着输入电压、负载或外部干扰发生变化，导致变换器的输出电压不稳定。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要提供一种电子变换器的稳压控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的电子变换器的输出电压不稳定的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电子变换器的稳压控制方法，包括：
6.构建电子变换器的工作状态方程；
7.根据所述工作状态方程确定所述电子变换器的控制变量，并基于滑模控制方法和所述控制变量确定所述电子变换器的等效控制率；
8.根据所述等效控制率确定pwm发生器的目标控制信号，并基于所述目标控制信号控制所述电子变换器。
9.在一些可能的实现方式中，所述基于滑模控制方法和所述控制变量确定所述电子变换器的等效控制率，包括：
10.确定滑模参考面的切换函数以及所述切换函数的稳定条件；
11.根据所述切换函数、所述切换函数的稳定条件以及所述控制变量确定所述电子变换器的等效控制率。
12.在一些可能的实现方式中，所述电子变换器包括至少一个第一开关和至少一个第二开关，所述目标控制信号为控制所述至少一个第一开关的控制信号；所述基于所述目标控制信号控制所述电子变换器，包括：
13.确定所述至少一个第二开关的开关状态与所述至少一个第一开关的开关状态之间的对应关系；
14.根据所述目标控制信号以及所述对应关系确定所述至少一个第二开关的关联控制信号；
15.根据所述目标控制信号和所述关联控制信号控制所述电子变换器。
16.在一些可能的实现方式中，所述电子变换器包括电压源(vh)、第一开关(s1)、第二开关(s2)、第三开关(s3)、第一电感(l1)、第二电感(l2)、电容(c)和负载(r)；所述电压源
(vh)的两端分别连接所述第三开关(s3)的一端以及所述第二电感(l2)的一端；所述第三开关(s3)的另一端连接于所述第一电感(l1)的一端；所述第一电感(l1)的另一端分别连接于所述电容(c)的一端以及所述第二开关(s2)的一端；所述电容(c)的另一端分别连接于所述第一开关(s1)的一端以及所述第二电感(l2)的另一端；所述第二电感(l2)的一端连接于所述第二开关(s2)的另一端；所述第一开关(s1)的另一端连接于所述第一电感(l1)的一端；所述负载(r)的两端分别连接于所述电容(c)的两端；所述第一电感(l1)为所述第二电感(l2)的耦合电感。
17.在一些可能的实现方式中，所述电子变换器的工作状态方程为：
[0018][0019]
式中，i为电子变换器的电感电流；u0为电子变换器的实际输出电压；vh为电压源(vh)的电压值；l为第一电感(l1)或第二电感(l2)的电感量；u为第一开关(s1)、第二开关(s2)和第三开关(s3)的开关状态，当第一开关(s1)、第二开关(s2)关断，第三开关(s3)导通时，u为1，当第一开关(s1)、第二开关(s2)导通，第三开关(s3)关断时，u为0；c为电容(c)的电容量；r为负载(r)的阻值。
[0020]
在一些可能的实现方式中，所述控制变量包括第一控制变量、第二控制变量以及第三控制变量；
[0021]
所述第一控制变量为：
[0022]
x1＝v
ref-uo[0023]
所述第二控制变量为：
[0024][0025]
所述第三控制变量为：
[0026]
x3＝∫(v
ref-uo)dt
[0027]
式中，x1为第一控制变量；v
ref
为参考输出电压；x2为第二控制变量；x3为第三控制变量。
[0028]
在一些可能的实现方式中，所述切换函数为：
[0029]
s＝a1x1 a2x2 a3x3[0030]
所述切换函数的稳定条件为：
[0031]
s＝0，
[0032]
式中，s为切换函数；a1为第一滑模系数；a2为第二滑模系数；a3为第三滑模系数。
[0033]
在一些可能的实现方式中，所述等效控制率为：
[0034]
[0035]
式中，u
eq
为等效控制率；a1为第一滑模系数；a2为第二滑模系数；a3为第三滑模系数。
[0036]
在一些可能的实现方式中，所述目标控制信号为：
[0037][0038][0039]
式中，vc为目标控制信号；为频率恒定的锯齿波信号。
[0040]
另一方面，本发明还提供一种电子变换器的稳压控制装置，包括：
[0041]
状态方程构建单元，用于构建电子变换器的工作状态方程；
[0042]
滑模控制单元，用于根据所述工作状态方程确定所述电子变换器的控制变量，并基于滑模控制方法和所述控制变量确定所述电子变换器的等效控制率；
[0043]
控制信号确定单元，用于根据所述等效控制率确定pwm发生器的目标控制信号，并基于所述目标控制信号控制所述电子变换器。
[0044]
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的电子变换器的稳压控制方法，基于滑模控制方法和电子变换器的控制变量确定电子变换器的等效控制率，并根据等效控制率确定目标控制信号，提高了电子变换器的响应速度，从而在当输入电压波动或负载变化时，电子变换器的输出电压能够实现快速稳定控制。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明提供的电子变换器的稳压控制方法的一个实施例流程示意图；
[0047]
图2为本发明图1中s102的一个实施例流程示意图；
[0048]
图3为本发明图1中s103的一个实施例流程示意图；
[0049]
图4为本发明提供的电子变换器的一个实施例结构示意图；
[0050]
图5为本发明提供的电子变换器的稳压控制方法的验证效果一个实施例示意图；
[0051]
图6为本发明提供的电子变换器的稳压控制装置的一个实施例结构示意图；
[0052]
图7为本发明提供的电子设备的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0055]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0056]
本发明提供了一种电子变换器的稳压控制方法及装置，以下分别进行说明。
[0057]
图1为本发明提供的电子变换器的稳压控制方法的一个实施例流程示意图，如图1所示，电子变换器的稳压控制方法包括：
[0058]
s101、构建电子变换器的工作状态方程；
[0059]
s102、根据工作状态方程确定电子变换器的控制变量，并基于滑模控制方法和控制变量确定电子变换器的等效控制率；
[0060]
s103、根据等效控制率确定pwm发生器的目标控制信号，并基于目标控制信号控制电子变换器。
[0061]
与现有技术相比，本发明实施例提供的电子变换器的稳压控制方法，基于滑模控制方法和电子变换器的控制变量确定电子变换器的等效控制率，并根据等效控制率确定目标控制信号，提高了电子变换器的响应速度，从而在当输入电压波动或负载变化时，电子变换器的输出电压能够实现快速稳定控制。
[0062]
在本发明的一些实施例中，电子变换器为直流-直流(dc/dc)变换器。具体地，电子变换器可以为升压(boost)变换器、降压变换器(buck)或升-降压(boost-buck)变换器中的任意一种。
[0063]
其中，滑模控制是一种非线性控制方法，通过设置合适的切换控制率使系统状态轨迹运行在滑模参考面上，电子变换器就能实时跟踪参考输出电压，获得高精度的稳态输出，而此时电子变换器的实际输出电压由切换函数决定，对输入电压、负载变化等系统扰动具有较强的鲁棒性，因此用滑模控制方法确定pwm发生器的目标控制信号，能够使电子变换器在更大的工作范围内获得更好的调节性能和动态性能。
[0064]
在本发明的一些实施例中，如图2所示，步骤s102包括：
[0065]
s201、确定滑模参考面的切换函数以及切换函数的稳定条件；
[0066]
s202、根据切换函数、切换函数的稳定条件以及控制变量确定电子变换器的等效控制率。
[0067]
由于随着功能的拓展和集成化的提高，电子变换器包括至少一个第一开关和至少一个第二开关，为了避免对每个开关都根据滑模控制方法确定其控制信号，而导致电子变换器响应速度慢的技术问题，在本发明的一些实施例中，目标控制信号为控制至少一个第一开关的控制信号，则如图3所示，步骤s103包括：
[0068]
s301、确定至少一个第二开关的开关状态与至少一个第一开关的开关状态之间的对应关系；
[0069]
s302、根据目标控制信号以及对应关系确定至少一个第二开关的关联控制信号；
[0070]
s303、根据目标控制信号和关联控制信号控制电子变换器。
[0071]
本发明实施例通过确定至少一个第二开关的开关状态与至少一个第一开关的开关状态之间的对应关系，则可根据至少一个第一开关的目标控制信号以及对应关系确定第二开关的关联控制信号，从而可根据目标控制信号确定电子交换器中所有开关的开关状
态，在实现对电子变换器控制能力的同时，可进一步提高电子变换器的响应速度。
[0072]
应当理解的是：第一开关和第二开关的个数可根据实际应用场景进行调整，在此不做具体限定。
[0073]
在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，电子变换器包括电压源vh、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第一电感l1、第二电感l2、电容c和负载r；电压源vh的两端分别连接第三开关s3的一端以及第二电感l2的一端；第三开关s3的另一端连接于第一电感l1的一端；第一电感l1的另一端分别连接于电容c的一端以及第二开关s2的一端；电容c的另一端分别连接于第一开关s1的一端以及第二电感l2的另一端；第二电感l2的一端连接于第二开关s2的另一端；第一开关s1的另一端连接于第一电感l1的一端；负载r的两端分别连接于电容c的两端；第一电感l1为第二电感l2的耦合电感。
[0074]
由图4可以看出：本发明实施例中的电子变换器中的第一开关s1和第二开关s2同时导通和关断。当s导通时，对第一电感l1和第二电感l2充电，此时，第一开关s1和第二开关s2处于关断状态。当第一开关s1和第二开关s2导通时，第三开关s3关断，第一电感l1和第二电感l2中储存的能量并联对负载r提供能量。即：第一电感l1和第二电感l2串联充电、并联放电。通过上述电子变换器的电路拓扑结构，可得到输出电压和输入电压比较高的增益。
[0075]
具体地，输出输入电压之比为：
[0076][0077]
式中，u0为实际输出电压；vh为电压源vh的输入电压；d为pwm发生器的占空比。
[0078]
其中，第一电感l1和第二电感l2的匝数比相同，且第一电感l1和第二电感l2的的电感量也相同。
[0079]
在本发明的一些实施例中，当电子变换器为上述实施例中的电子变换器时，电子变换器的工作状态方程为：
[0080][0081]
式中，i为电子变换器的电感电流；u0为电子变换器的实际输出电压；vh为电压源vh的电压值；l为第一电感l1或第二电感l2的电感量；u为第一开关s1、第二开关s2和第三开关s3的开关状态，当第一开关s1、第二开关s2关断，第三开关s3导通时，u为1，当第一开关s1、第二开关s2导通，第三开关s3关断时，u为0；c为电容c的电容量；r为负载r的阻值。
[0082]
在本发明的一些实施例中，控制变量包括第一控制变量、第二控制变量以及第三控制变量；
[0083]
第一控制变量为参考输出电压与实际输出电压的电压误差，具体为：
[0084]
x1＝v
ref-uo[0085]
第二控制变量为电压误差的变化率，具体为：
[0086][0087]
第三控制变量为电压误差的积分，具体为：
[0088]
x3＝∫(v
ref-uo)dt
[0089]
式中，x1为第一控制变量；v
ref
为参考输出电压；x2为第二控制变量；x3为第三控制变量。
[0090]
本发明实施例通过获得参考输出电压和实际输出电压即可实现对电子变换器的电压稳定控制，无需对输出电流和电感电流进行控制，降低了对电子变换器进行稳压控制的成本。
[0091]
根据上述控制变量可得到电子变换器在连续导通模式(continuous conduction mode，ccm)下的误差状态方程：
[0092][0093][0094][0095]
在本发明的一些实施例中，滑模参考面的切换函数为：
[0096]
s＝a1x1 a2x2 a3x3[0097]
切换函数的稳定条件为：
[0098][0099]
式中，s为切换函数；a1为第一滑模系数；a2为第二滑模系数；a3为第三滑模系数。
[0100]
应当理解的是：上述实施例中的s可由开关函数获得，在本发明的具体实施例中，可由第三开关s3的开关函数获得，具体地，第三开关s3的开关函数为：
[0101][0102]
式中，sign()为符号函数，其值可为1或-1，这样u可为0或1。
[0103]
在本发明的一些实施例中，根据上述公式获得的等效控制率为：
[0104][0105]
式中，u
eq
为等效控制率；a1为第一滑模系数；a2为第二滑模系数；a3为第三滑模系数。
[0106]
在本发明的一些实施例中，根据等效控制率确定目标控制信号具体为：首先基于实际输出电压和电压源vh的输入电压确定一固定频率的锯齿波信号，然后在根据锯齿波信号和等效控制率确定目标控制信号，具体地，目标控制信号为：
[0107][0108][0109]
式中，vc为目标控制信号；为频率恒定的锯齿波信号。
[0110]
为了验证本发明实施例提出的电子变换器的稳压控制方法的性能，本发明实施例还对一具体参数的电子变换器进行了仿真，电子变换器的电压源vh的输入电压vh∈[20v，60v]，参考输出电压v
ref
＝14v，电容c的电容量c＝500μf，第一电感l1和第二电感l2的电感量l＝22μf，各开关的开关频率fs＝100khz，负载r的电阻值r∈[2ω，6ω]，仿真结果如图5所示，由图5可以看出：当输入电压由60v突变至20v，或由20v突变至60v时，实际输出电压的最大值小于14.15v，最小值大于13.9v，变化较小，基本维持在参考输出电压附近，即：电子变换器的稳定性较好。
[0111]
为了更好实施本发明实施例中的电子变换器的稳压控制方法，在电子变换器的稳压控制方法基础之上，对应的，如图6所示，本发明实施例还提供了一种电子变换器的稳压控制装置600，包括：
[0112]
状态方程构建单元601，用于构建电子变换器的工作状态方程；
[0113]
滑模控制单元602，用于根据工作状态方程确定电子变换器的控制变量，并基于滑模控制方法和控制变量确定电子变换器的等效控制率；
[0114]
控制信号确定单元603，用于根据等效控制率确定pwm发生器的目标控制信号，并基于目标控制信号控制电子变换器。
[0115]
上述实施例提供的电子变换器的稳压控制装置600可实现上述电子变换器的稳压控制方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述电子变换器的稳压控制方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。
[0116]
如图7所示，本发明还相应提供了一种电子设备700。该电子设备700包括处理器701、存储器702及显示器703。图7仅示出了电子设备700的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
[0117]
存储器702在一些实施例中可以是电子设备700的内部存储单元，例如电子设备700的硬盘或内存。存储器702在另一些实施例中也可以是电子设备700的外部存储设备，例如电子设备700上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。
[0118]
进一步地，存储器702还可既包括电子设备700的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器702用于存储安装电子设备700的应用软件及各类数据。
[0119]
处理器701在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit，cpu)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器702中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的电子变换器的稳压控制方法。
[0120]
显示器703在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器703用于显示在电子设备700的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备700的部件701-703通过
系统总线相互通信。
[0121]
在一实施例中，当处理器701执行存储器702中的电子变换器的稳压控制程序时，可实现以下步骤：
[0122]
构建电子变换器的工作状态方程；
[0123]
根据工作状态方程确定电子变换器的控制变量，并基于滑模控制方法和控制变量确定电子变换器的等效控制率；
[0124]
根据等效控制率确定pwm发生器的目标控制信号，并基于目标控制信号控制电子变换器。
[0125]
应当理解的是：处理器701在执行存储器702中的电子变换器的稳压控制程序时，除了上面的功能之外，还可实现其它功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。
[0126]
进一步地，本发明实施例对提及的电子设备700的类型不做具体限定，电子设备700可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载ios、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备700也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。
[0127]
相应地，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实施例提供的方法步骤或功能。
[0128]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0129]
以上对本发明所提供的电子变换器的稳压控制方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。