配置电压调节器系统的控制器的方法和电压调节器系统

摘要

公开了一种配置用于具有由电感(L)和电容(C)设置的输出滤波器响应的电压调节器系统的控制器的方法和电压调节器系统。方法包括将一个或更多个具有已知接通时间和关断时间的脉冲施加至电压调节器系统，以及响应于一个或更多个具有已知接通时间和关断时间的脉冲对电压调节器系统进行测量。方法还包括基于测量结果来构建电压调节器系统的输出滤波器响应的模型，以及基于输出滤波器响应的模型来设置控制器的一个或更多个控制回路参数。

说明书

技术领域

本申请涉及电压调节器，特别地涉及设置电压调节器控制器的控制回路参数。

背景技术

PID(比例-积分-微分)控制器被广泛用于控制电压调节器。许多类型的电压调节器具有由系统的实际或等效有效输出电感(L)和电容(C)设置的输出滤波器响应。输出电容和电感变化会导致电压调节器系统变得不稳定、关机或故障。输出滤波器响应的双极点(double pole)频率是优化电压调节器控制器的控制回路的PID补偿的关键参数，输出滤波器响应的双极点频率是输出电感和电容的函数，如由1/(2π√LC)所给出的。如果例如由于器件变化、器件老化、模块化负载应用等，电压调节器系统的实际输出电感和/或电容从预期值或标称值改变，则双极点频率也发生偏移。按照惯例基于基准(标称)双极点频率设置的初始优化PID控制回路，通常不能针对实际双极点频率的变化进行补偿，因此会导致不期望的系统行为。

对于一些电压调节器系统应用，输出电感和电容可以变化高达+/-22％。这样的LC变化意味着双极点频率可从-18％变化至28％。对于其中用户可以通过插入另外的负载和输出电容来修改调节器负载的模块化负载应用来说，电容和LC变化可能会更大。用于针对双极点频率的大范围变化进行补偿的常规方法包括增加过量的输出电容器，这增加了系统成本并且在上电期间需要超量的充电电流。另一常规方法使用非常保守的PID补偿，使得对于具有比预期更小的电容或更大的电感的系统发生过大的过冲或下冲。因此，存在对改进的输出滤波器响应补偿技术的需要。

发明内容

根据配置用于具有由电感(L)和电容(C)设置的输出滤波器响应的电压调节器系统的控制器的方法的实施方式，该方法包括：将一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲施加至电压调节器系统；响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲，对电压调节器系统进行测量；基于所述测量来构建电压调节器系统的输出滤波器响应的模型；以及基于输出滤波器响应的模型来设置控制器的一个或更多个控制回路参数。

根据具有由电感(L)和电容(C)设置的输出滤波器响应的电压调节器系统的实施方式，电压调节器系统包括控制器，该控制器可操作成向电压调节器系统施加一个或更多个已知接通时间和关闭时间的脉冲，响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲，对电压调节器系统进行测量，基于所述测量来构建电压调节器系统的输出滤波器响应的模型，以及基于输出滤波器响应的模型来设置控制器的一个或更多个控制回路参数。

在阅读下面的具体实施方式后以及在查看附图之后，本领域技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

附图中的元素不一定相对于彼此成比例。相似的附图标记表示对应的类似部件。可以组合各种示出的实施方式的特征，除非它们彼此排斥。附图中示出了实施方式，并且在下面的描述中详述了实施方式。

图1示出了具有控制回路参数设置单元的电压调节器的实施方式的框图；

图2示出了用于电压调节器的控制回路参数设置方法的实施方式的流程图；

图3示出了在设置电压调节器的控制回路参数中使用的各种测量；

图4示出了与控制回路参数设置实施方式相关联的各种波形；

图5示出了用于设置电压调节器的控制回路参数的、基于查找表的实施方式的框图。

具体实施方式

本文中描述的实施方式提供了用于测量电压调节器系统的输出滤波器响应以及基于从测量得到的输出滤波器响应的模型来设置用于电压调节器系统的一个或更多个控制参数的技术。因此，可以在设置用于控制电压调节器系统的工作的控制器的(一个或多个)控制回路参数时，测量和解决设置电压调节器系统的输出滤波器响应的输出电感(L)和电容(C)的变化。

图1示出了用于电压调节器(VR)的控制器100的实施方式。可以使用具有由电感(L)和电容(C)设置的输出滤波器响应的任何电压调节器。例如，电压调节器可以是非隔离的(无变压器)或者隔离的(有变压器)DC到DC(直流到直流)转换器，例如降压转换器、升压转换器、升降压转换器、转换器、正激式转换器、半桥转换器、全桥转换器、反激式转换器等，或者AC到DC(交流到直流)转换器，例如单相/半波整流器、单相/全波整流器、多相/半波整流器、多相/全波整流器等。电压调节器可以具有一个(单)或多个(多)相102。多相电压调节器具有用于对(未示出的)负载供电的不止一个相102。图1所示的通用电压转换器被示出为具有N个相102，其中，N≥1。每个相102包括一个或更多个半导体开关器件104以使得能够针对负载进行电压调节。每个相102还包括用于将相102连接至电压调节器系统的输出电容器(Cout)的输出电感器(Lx)。如在本文中所使用的，术语“电感”是指单相电压调节器系统中的一个相102的电感或者多相系统中的多个相102的等效电感。

图1所示的电压调节器控制器100包括用于执行本文中所描述的输出滤波器响应测量和控制回路参数设置技术的参数设置单元106，以及用于存储由控制器100测量和使用的控制回路参数和遥测数据的存储器108。在一个实施方式中，控制器100是数字控制器，并且参数设置单元106的工作至少部分地经由控制器100内的固件来实现。根据该实施方式，控制器100被特别设计成实现本文中所描述的输出滤波器响应测量和控制回路参数设置技术。在其他实施方式中，参数设置单元106可以被实现为包括在控制器100中或者与控制器100相关联的专用电路。

图2示出了如由参数设置单元106所实现的测量电压调节器系统的输出滤波器响应并且基于从所述测量得到的输出滤波器响应的模型来设置控制器100的一个或更多个控制回路参数的方法的实施方式。该方法包括：将一个或更多个已知接通时间(ton)和断开时间(toff)的脉冲(PWMx)施加至电压调节器系统(框200)，响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲，对电压调节器系统进行测量(框210)，基于所述测量来构建电压调节器系统的输出滤波器响应的模型(框220)，以及基于输出滤波器响应的模型来设置控制器100的一个或更多个控制回路参数(框230)。

通过构建基于实际系统行为的输出滤波器响应的模型并且基于该行为的模型来设置控制器100的(一个或多个)控制回路参数，可以避开不稳定的工作区域。系统辨识使用统计方法根据所测量的数据来构建动态系统的数学模型，在这种情况下，电压调节器系统具有由输出电感(L)和电容(C)设置的输出滤波器响应。通过将一个或更多个已知接通时间(ton)和关断时间(toff)的脉冲施加至电压调节器系统并测量系统响应，可以使用统计方法根据所测量的数据来构建电压调节器系统的数学模型。在一些实施方式中，基于所述测量来计算输出滤波器响应的实际双极点频率。然而，不一定必须使用测量来计算极点位置。测量值与预期值之间的差异将电压调节器系统的传递函数通知给参数设置单元106，并且参数设置单元106可以使用该信息来构建系统的输出滤波器响应的模型。参数设置单元106可以根据不同类型的测量来推断输出滤波器响应的实际双极点频率。

例如，控制器100可以在相对于施加至电压调节器系统的一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲的特定时间点处进行一个或更多个电压测量。在另一实施方式中，控制器100在相对于施加至电压调节器系统的一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲的特定时间点处进行一个或更多个电流测量。在又一实施方式中，控制器100进行一个或更多个电压测量，并且在一个或更多个电压测量满足特定条件时进行一个或更多个时间测量。在又另一实施方式中，控制器100进行一个或更多个电流测量，并且在一个或更多个电流测量满足特定条件时进行一个或更多个时间测量。在另一实施方式中，控制器100进行一个或更多个电压或电流测量，并且确定一个或更多个电压或电流测量的峰值、谷值或过零点时间。在另一实施方式中，控制器100进行一个或更多个电压或电流测量，并且确定一个或更多个电压或电流测量的峰值幅度。

在每种情况下，参数设置单元106基于测量结果来构建电压调节器系统的输出滤波器响应的模型，并且基于输出滤波器响应的模型来设置控制器100的一个或更多个控制回路参数。电压调节器系统可以包括用于测量系统的输出电压V_out和(一个或多个)相电流i_LN的任何标准的电压和电流感测电路。在多相系统的情况下，系统的输出电流i_out等于各个相电流的总和。在单相系统的情况下，系统的输出电流i_out是单独的相电流。

图3示出了测量电压调节器系统的输出响应的另外的实施方式，使得可以基于测量结果来构建系统的模型。图3示出了响应于施加至电压调节器系统的一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲的电压调节器系统的输出电流i_out和输出电压V_out。

在一个实施方式中，控制器100响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲来测量电压调节器系统的输出电压峰值至峰值持续时间(T1)，并且参数设置单元106基于所测量的输出电压峰值至峰值持续时间T1来计算输出响应的双极点频率。在另一实施方式中，控制器100响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲来测量电压调节器系统的输出电流过零点至过零点持续时间(T3)，并且参数设置单元106基于所测量的输出电流过零点至过零点持续时间T3来计算输出响应的双极点频率。在又一实施方式中，控制器100响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲来测量电压调节器系统的输出电压峰值至过零点持续时间(T2)，并且参数设置单元106基于所测量的输出电压峰值至过零点持续时间T2来计算输出响应的双极点频率。在又一实施方式中，控制器100响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲来测量电压调节器系统的输出电流峰值至输出电压峰值持续时间(T4)，并且参数设置单元106基于所测量的输出电流峰值至输出电压峰值持续时间T4来计算双极点频率。参数设置单元106可以结合一个或更多个电压、电流以及时间测量结果来计算双极点频率。

图3所示的测量持续时间T1至T4彼此相关，并且输出响应的双极点频率如下：

电压调节器的输出响应的双极点频率通过下式给出：

接下来参照图4更详细地说明电压调节器系统的输出响应的双极点频率的计算。图4示出了响应于施加至电压调节器系统的一个或更多个已知接通时间(ton)和断开时间(toff)的PWM(脉宽调制)脉冲的电压调节器系统的输出电流i_out和存储在输出电容器Cout中的电荷(Q)。PWM信号控制将相应的电感器Lx耦接至输入源(Vin)或地的一个或更多个开关器件104的闭合，以基于PWM信号来增加或减小电感器电流i_Lx。在多相电压调节器系统的情况下，基于响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲而针对多相系统的每个相102进行的测量来计算双极点频率，并且基于针对多相系统的每个相102计算的双极点频率来设置控制器100的(一个或多个)控制回路参数。

可以基于电压调节器系统的标称或预期输出电感(L)和电容(C)值来调整(一个或多个)脉冲的持续时间。(一个或多个)脉冲不应太长或太短。例如，如果(一个或多个)脉冲太短，则电压变化非常小，并且测量误差将很高。对于较大的电感器，较少的电流被注入至输出电容器Cout。对于较大的电容器，需要更长持续时间的更多电流注入以对输出电容器Cout充电及改变输出电压。可以以某种方式来选择脉冲持续时间以优化电流和电压，使得变化足够大以使得测量具有足够的准确度而又足够小，以使电压和电流的变化保持在预期范围内并且不显著影响系统的启动。

通常，如图4所示，在施加第一PWM脉冲之前，测量诸如输出电压V_out、输出电流I_out等这样的遥测数据并将其存储在控制器100的存储器108中，并且在施加最后一个PWM脉冲之后，再次测量遥测数据并将其存储在存储器108中。参数设置单元106使用所存储的遥测数据来计算输出响应的双极点频率。

在一个实施方式中，参数设置单元106基于存储的遥测数据通过下式计算集总LC值：

其中，n是施加至电压调节器系统的已知接通时间(ton)和关断时间(toff)的PWM脉冲的数量，Vin是电压调节器系统的输入电压，V1是在将已知接通时间的第一脉冲施加至电压调节器系统之前进行的第一输出电压测量，以及V2是在将已知接通时间的最后一个脉冲施加至电压调节器系统之后进行的第二输出电压测量。在一个实施方式中，仅将已知接通时间的单个脉冲施加至电压调节器系统。根据该实施方式，在将已知接通时间的单个脉冲施加至电压调节器系统之前进行第一输出电压测量V1，以及在将已知接通时间的单个脉冲施加至电压调节器系统之后进行第二输出电压测量V2。

参数设置单元106基于所计算的LC值通过下式计算电压调节器系统的输出响应的双极点频率：

在另一实施方式中，参数设置单元106基于响应于一个或更多个已知接通时间和关断时间的脉冲而被传送至电感L和输出电容器Cout的能量的量E(Q)来计算电压调节器系统的输出响应的双极点频率。被传送至输出电容器Cout的能量的量E(Q)是所传送的电荷(Q)的函数，并且通过能量守恒设置的电感器电流与电容电压之间的关系通过下式给出：

其中，Vo是输出电容器Cout的预偏置电压。被传送至输出电容器Cout的能量的量E(Q)是1/L、Vin、ton、toff以及施加至电压调节器系统的已知接通时间和关断时间的脉冲的数量(n)的函数，并且可以表示如下：

其中，Vpeak是所测量的峰值输出电压，以及Ipeak是所测量的峰值输出电流(峰值输出电压和峰值输出电流测量的示例参见图3)。参数设置单元106基于例如根据式(5)至式(10)中的任一个所计算的被传送至输出电容器Cout的能量的量E(Q)来计算电压调节器系统的输出响应的双极点频率

在基于由控制器100进行的测量来构建电压调节器系统的输出滤波器响应的模型之后，参数设置单元106基于输出滤波器响应的模型来设置控制器100的一个或更多个控制回路参数。

图5示出了使用所计算的双极点频率作为查找值来识别一个或更多个相应的控制回路参数的实施方式。控制器100包括用于存储控制回路参数值的查找表300的存储器108。查找表300包括双极点频率值302和与每个存储的双极点频率值302相关联的一个或更多个控制回路参数值304。参数设置单元106通过使用所计算的双极点频率作为所存储的控制器参数值的表300中的查找值，来设置控制器100的一个或更多个控制回路参数。参数设置单元106选择(一个或多个)与查找值最密切相关的存储的控制器参数值304作为控制器100的(一个或多个)新控制回路参数。

在另一实施方式中，基于电压调节器系统的基准(标称)LC双极点频率来设置控制器100的一个或更多个基准(标称)控制回路参数。可以基于电压调节器系统的预期或标称输出电感(L)和电容(C)来选择基准LC双极点频率。参数设置单元106根据基于响应于施加至电压调节器系统的一个或更多个已知接通时间和关断的脉冲进行的测量而计算的输出滤波器响应的双极点频率，调整一个或更多个基准控制回路参数。

可以使用具有一个或更多个控制回路参数的任何类型的电压调节器控制器。在一个实施方式中，控制器100是PID(比例-积分-微分)控制器。可以通过移动控制器100的零点位置以匹配如由基准(标称)双极点频率与基于测量结果所计算的双极点频率之差所指示的双极点频率的绝对变化，来设置控制器100的一个或更多个PID参数。例如，f₀是基准(标称)双极点频率，Kp₀、Ki₀以及Kd₀是基准PID参数，以及f_M是根据本文中先前描述的技术中的任一个所建模的电压调节器系统的实际双极点频率。参数设置单元106基于所建模的双极点频率f_M通过下式来调整(调节)PID传递函数中的两个零点：

Kp_x＝Kp₀(11)

Ki_x＝Ki₀+2π×(f_M-f₀)×Kp₀(12)

其中，Kp_x、Ki_x以及Kd_x是基于建模的双极点频率f_M计算的新的PID参数。

在另一实施方式中，移动基于PID的控制器100的零点位置以匹配如由基准双极点频率与基于测量结果计算的双极点频率之差所指示的双极点频率的相对变化。例如，f₀仍是基准(标称)双极点频率，Kp₀、Ki₀以及Kd₀是基准PID参数，以及通过本文中先前描述的技术中的任一个来测量双极点频率f_M。如下计算基于PID的控制器100的可设计增益缩放参数K_Ap>Ai>Ad：

在基于相对和绝对PID的实施方式二者中，电压调节器系统的输出滤波器响应被调节成电压调节器系统的实际输出电感(L)和电容(C)，而不是标称或预期L和C值。

可以在预调节模式中执行施加至电压调节器系统以用于引发响应的(一个或多个)已知接通时间和关断时间的脉冲以及为对响应进行建模而进行的相应测量，其中，在预调节模式下，控制器100与电压反馈无关地设置脉冲接通时间和断开时间，即开环控制。在构建输出滤波器响应的模型并且基于建模的输出滤波器响应来设置控制器100的(一个或多个)控制回路参数之后，控制器100退出预调节模式并进入调节模式。在调节模式下，控制器100根据基于建模的输出滤波器响应而设置的一个或更多个控制回路参数来提供用于控制电压调节器系统的开关器件104的脉冲的闭环控制，以调节被提供至电压调节器系统的(未示出的)负载的输出电压V_out。

如本文中所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放式术语，其指示存在所陈述的元素或特征，但不排除另外的元素或特征。除非上下文另外明确指出，否则单数用语“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数。

应当理解的是，除非另外特别指出，否则本文中所描述的各种实施方式的特征可以彼此组合。

虽然已经在本文中示出和描述了特定实施方式，但是本领域普通技术人员将会理解，在不偏离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等同的实现方式可以替代所示出和所描述的特定实施方式。本申请旨在覆盖本文中所论述的特定实施方式的任何调整或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物限制。