DC-DC变换器在线参数估计算法及控制策略研究

摘要

DC-DC变换器在通信、汽车电子和可再生能源等领域得到了广泛应用，其性能和可靠性直接影响用电设备的效率和稳定运行。控制器是DC-DC变换器的核心之一，其设计依赖于变换器模型和元件参数的标称值，然而工作环境、负载水平和老化效应会导致元件参数偏离标称值，进而使控制器和变换器之间产生参数失配，降低控制性能和系统稳定性。因此元件参数变化已经成为制约DC-DC变换器性能和可靠性的关键因素之一。针对这个问题，本论文对DC-DC变换器在线参数估计算法及控制策略进行了深入研究。 首先根据离散化平均模型推导的基本参数估计模型，分析了低采样频率下参数估计的收敛性。对于有电流传感器的参数估计，稳态下电感和电容估计存在发散问题，动态下电感和电容估计面临估计模型精度低、注入脉冲最优幅值选择和寄生参数估计欠秩的问题，难以保证估计结果收敛到实际值。对于无电流传感器的参数估计，由于实际电感电流不能通过电流传感器采样获得，如何利用可量测的输入输出电压信号精确估计电感电流是参数估计的首要问题。若利用传统电流观测器估计电流，无电流传感器的参数估计还需面临电感估计自迭代、电感寄生电阻估计欠秩和电容估计精度低的问题。 接下来研究了有电流传感器的DC-DC变换器参数估计技术。为了避免稳态下电感和电容估计不收敛的问题，利用参考电压脉冲注入策略为参数估计建立所需的动态和新稳态。由于变换器模型是参数估计的基础，考虑电感电流纹波对变换器模型的影响，推导了基于电感电流纹波的参数估计模型，能够提高电感和电容估计精度。提出了最优脉冲注入幅度的判定依据，可以有效降低测量噪声和量化误差对估计精度的影响，最大限度地降低注入对系统性能的影响。此外，利用原稳态和脉冲注入获得的新稳态，构建了满秩稳态模型，获得寄生参数和负载电阻，进一步提高了电感和电容估计精度。考虑到电感和电容可能在参数估计过程中发生变化，研究了基于可变遗忘因子递推最小二乘法的在线参数估计算法。通过在误差信号中恢复系统噪声，实现遗忘因子的动态优化给定，既保证了算法的稳态精度又提高了动态跟踪能力。 为了降低系统成本、功耗和体积，进一步研究了无电流传感器的DC-DC变换器 参数估计技术。利用输出电流脉冲注入策略为参数估计创建动态过程，根据输出电容电荷平衡原理估算电感参数估计所需的电感电流。由于该电流估计不使用电感，其不受电感估计误差的影响。为了避免估计方程组欠秩问题，用电感等效寄生电阻表征多种寄生效应，不仅能够降低计算量，还可以保证电流估计的准确性。将其应用到电流控制环的传统电流观测器中，由于包含更多的寄生效应，电流估计的准确性仍可以得到保证。根据注入前后输出电容放电特性的变化，研究了负载和电容估计算法，不仅提高了电感参数估计精度，还为控制器参数校正提供了基础。此外，分析了输出电容的等效串联电阻(ESR)对该算法的影响。实验结果证明了该方法具有良好的估计精度，根据估计结果优化控制参数的系统具有良好的鲁棒性和动态响应性能。 最后，提出了基于电荷平衡电流观测器(CBCO)的数字预测电流控制。与传统的电流观测器不同，CBCO不是利用电感的伏秒特性，而是根据输出电容的电荷平衡原理和电感电流纹波的特性来估计峰值电感电流。结合无电流传感器的参数估计， CBCO可以在不使用寄生参数值的情况下，保证电流估计的高精度。此外，针对电流控制器设计，引入预测峰值电流控制(PPCC)策略，避免了占空比高于50%时的不稳定现象。它可以在两个开关周期内消除电流扰动。变换器模型是控制器设计的基础，为了实现高动态性能的数字控制，提出了考虑电流纹波的离散时间模型(DMCR)，其考虑了纹波而不是将每个开关周期的电感电流看作是常数。它可以达到比传统平均模型更高的精度，特别是在高频段。仿真和实验证明了电荷平衡电流观测器和数字控制器的鲁棒性和高动态性能。

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