一种llc谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器。本发明LLC谐振直流变换器输出采样信号与给定信号误差送到滑模控制器，滑模控制器输出到变频选择开关，LLC谐振直流变换器输出给定信号送到模糊选频控制器，模糊选频控制器输出连到变频选择开关，变频选择开关输出送到PFM发生器经驱动电路后送到LLC谐振直流变换器功率开关管。本发明克服了对负载会造成极大伤害的缺陷。本发明实现切换的两个高、低开关频率，随着负载的变化而变化，形成模糊控制规则，解决了传统PID控制器对系统参数变化敏感问题，又提高了LLC谐振直流变换器的动态响应速度，减小LLC谐振直流变换器的输出电压、电流的稳态误差，具有一致的较低纹波特性，从而提高了系统的稳态精度。
【专利说明】
一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及谐振变换器的控制领域，涉及一种模糊选频控制器，特别涉及一种LLC 谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器。
【背景技术】
[0002] 现有LLC谐振直流变换器的控制方法中使用最多的是传统PID控制，具有控制简 单，稳定性好，适用性强等优点，但是PID控制对系统参数变化比较敏感，当负载大范围变化 时，具有动态响应速度慢，输出波形畸变等缺点，因此，有人提出采用滑模控制方法来替代 LLC谐振直流变换器的PID控制。滑模控制主要包括:滑模控制面生成电路，滞环比较电路， 频率发生器，频率切换电路和功率开关管信号驱动电路。通常采用谐振直流变换器负载输 出电压作为控制环路负反馈输入信号，负反馈输入信号与给定电压信号作比较，产生的误 差信号作为滑模控制器的输入信号。通过设定滑模面，一般再通过滞环比较器产生一个频 率切换信号，用来实现两个固定的高、低开关频率脉冲控制信号进行切换，再经驱动电路产 生驱动信号控制LLC谐振直流变换器中开关管的开闭。跟据LLC谐振直流变换器的工作原理 知高频率的驱动信号用以减小输出功率，低频率的输出驱动信号用以增加输出功率，从而 维持恒定的输出电压或输出电流。
[0003] 在本发明作出之前，滑模控制方法解决了LLC谐振直流变换器PID控制对系统参数 变化比较敏感的问题，同时系统动态响应速度也有提高。但这种只在两个固定高、低开关频 率间进行切换的滑模控制方法也存在着明显的不足，当负载在一定范围内变化时，固定高、 低切换开关频率的滑模控制所输出的电压、电流存在较大的跟踪误差，即LLC谐振直流变换 器输出电压、电流不能精确跟踪给定信号值的大小，这样对于需要精确电压或电流值输出 的负载会造成极大的伤害，甚至造成设备损坏;且当负载在一定范围内变化时，LLC谐振直 流变换器输出电量的纹波也会有很大的差异，即基于固定高、低开关频率切换的滑模控制 方法，对于不同负载或不同功率等级的工况，所输出的电量纹波起伏很大，这对于某些特殊 负载也是不利的，甚至会导致负载寿命的缩短。比如在LED调光电路和电动汽车充电机中的 应用场合，均要求输出电流具有较低纹波特性，否则会影响LED的调光性能和电池的寿命。 因此，随着LLC谐振直流变换器应用范围的拓宽，对LLC谐振直流变换器的快速动态响应性 能和高稳态精度提出了更高要求，为此，需要一种更切合实际应用的控制方法，既确保系统 具有较快的动态响应速度，也使得系统的输出具有较高的稳态精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就在于克服上述缺陷，提出一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑 模控制器。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，在于LLC谐振直流变换器的输出 采样信号与给定信号的误差送到滑模控制器，滑模控制器的输出连到变频选择开关，LLC谐 振直流变换器的输出给定信号送到模糊选频控制器，模糊选频控制器的输出连到变频选择 开关，变频选择开关的输出送到PFM发生器经驱动电路后送到LLC谐振直流变换器的功率开 关管。
[0007] 一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，还在于模糊选频滑模控制器能 根据LLC谐振直流变换器的输出给定信号，经模糊选频控制器生成高、低两路开关频率信 号，送到变频选择开关的输入端；由变频选择开关根据滑模控制器所输出的频率切换信号 来选择相应的开关频率，再经PFM发生器生成相应的脉冲控制信号，送到驱动电路生成驱动 信号控制LLC谐振直流变换器功率开关管的开闭。
[0008] 一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，LLC谐振直流变换器的输出采样 信号与给定信号的误差和LLC谐振直流变换器的输出给定信号均送到模糊选频滑模控制 器，在于将LLC谐振直流变换器输出给定信号送到模糊选频控制器生成两路开关频率信号， 一个是高开关频率信号，另一个是低开关频率信号，以供变频选择开关选择，且变频选择开 关选择其中一个频率信号作为输出频率。
[0009] -种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，在模糊选频滑模控制器中，滑模 控制器所输出的频率切换信号和模糊选频控制器所生成高、低两路开关频率信号，均送到 变频选择开关，在于由频率切换信号来选择高、低开关频率信号，滑模控制器生成的频率切 换信号的逻辑分别是高电平1和低电平〇,且高电平逻辑信号1用以选择低开关频率信号，低 电平逻辑信号〇则选择高开关频率信号，并由变频选择开关输出到PFM发生器的输入端，用 以控制PFM发生器生成频率变化的脉冲控制信号。
[0010]本发明的优点和效果在于：
[0011]本发明所提出的一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，可以实现所述 切换的两个高、低开关频率，随着负载的变化而变化，这种变化规律是根据具体应用电路和 应用场合的负载特性进行仿真和人为总结，而形成模糊控制规则。由模糊控制规则生成的 可变高、低开关频率与滑模控制相结合构成的模糊选频滑模控制器，既解决了传统PID控制 器对系统参数变化敏感问题，又提高了LLC谐振直流变换器的动态响应速度;与固定高、低 切换频率滑模控制相比，模糊选频滑模控制器能减小LLC谐振直流变换器的输出电压、电流 的稳态误差，且在负载变化时，具有一致的较低纹波特性，从而提高了系统的稳态精度。
[0012]术语:LLC:两个电感和一个电容串联的谐振电路
[0013] LED：Light Emitting Diode
[0014] PID:Proportion Integral Derivative
[0015] PFM：Pulse Frequency Modulation
[0016] 本发明在现有基于固定高、低开关频率切换的滑模控制LLC谐振变换器基础上，根 据不同功率等级采用模糊控制的方法产生相应的高、低开关频率，而不再是两个固定的高、 低开关频率，然后再通过滑模控制器产生的频率切换信号来选择。例如，当LED负载需要调 光，即负载给定电流发生改变时，高、低开关频率会更换成新的高、低开关频率以供切换，从 而确保系统快速动态响应性能的同时，以获得较高的稳态精度。
【附图说明】
[0017] 图1一一本发明结构原理方框示意图。
[0018] 图2-一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路不意图。
[0019] 图3-一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路中IREF的隶属函数曲线示意图。
[0020] 图4一一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路中Fmin的隶属函数曲线示意图。
[0021] 图5-一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路中FmX的隶属函数曲线示意图。
[0022] 图6--本发明的一种基于固定高、低工作频率滑模控制器半桥LLC谐振直流变换 器具体应用电路中Iref为4A时LLC谐振直流变换器的输出电流I。波形示意图。
[0023] 图7--本发明的一种基于固定高、低工作频率滑模控制器半桥LLC谐振直流变换 器具体应用电路中Iref为4.5A时LLC谐振直流变换器的输出电流I。波形示意图。
[0024] 图8--本发明的一种基于固定高、低工作频率滑模控制器半桥LLC谐振直流变换 器具体应用电路中Iref为5A时LLC谐振直流变换器的输出电流I。波形示意图。
[0025] 图9一一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路中Iref为4A时LLC谐振直流变换器的输出电流I。波形示意图。
[0026] 图1〇-一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路中为4.5A时LLC谐振直流变换器的输出电流I。波形示意图。
[0027] 图11一一本发明的一种基于模糊选频滑模控制器半桥LLC谐振直流变换器具体应 用电路中为5A时LLC谐振直流变换器的输出电流I。波形示意图。
[0028] 图中各标号表示对应的部件名称如下：
[0029] 滑模控制器1、变频选择开关2、模糊选频控制器3、模糊选频滑模控制器4。
[0030] 图2中的符号名称：
【具体实施方式】
[0040]本发明的部件构成如图1、2所示：
[0041 ]本发明中的模糊选频滑模控制器4由滑模控制器1、变频选择开关2和模糊选频控 制器3构成;滑模控制器1和模糊选频控制器3的输出送到变频选择开关21LC谐振直流变换 器的输出采样信号I。与给定信号I ref的误差e送到模糊选频滑模控制器4，LLC谐振直流变换 器的输出给定信号Iref也送到模糊选频滑模控制器4,模糊选频滑模控制器4的输出工作频 率fs送到PFM发生器，PFM发生器生成脉冲控制信号再经驱动电路送给LLC谐振直流变换器 的功率开关管。
[0042] 模糊选频滑模控制器4能根据LLC谐振直流变换器的输出给定信号Iref，经模糊选 频控制器3生成高、低两路开关频率信号f maJPf_送到变频选择开关2的输入端；由变频选 择开关2根据滑模控制器1所输出的频率切换信号u来选择相应的开关频率，并送到PFM发生 器，再经PFM发生器生成相应的脉冲控制信号，经驱动电路生成驱动信号控制LLC谐振直流 变换器中功率开关管的开闭。
[0043] LLC谐振直流变换器的输出采样信号I。与给定信号Iref经减法器生成误差信号e后 送到模糊选频滑模控制器4中滑模控制器1的输入端，同时将给定信号I ref送到模糊选频控 制器3,经模糊选频控制器3生成两路开关频率信号，一个是高开关频率信号fmax，另一个是 低开关频率信号f min，以供变频选择开关2选择，且变频选择开关2在fmax和中选择一个频 率信号做为输出工作频率fs，即开关频率。
[0044] 模糊选频滑模控制器4中，滑模控制器1所输出的频率切换信号u和模糊选频控制 器3所生成高、低两路开关频率信号fmax和，均送到变频选择开关2,由频率切换信号u来 选择高、低开关频率信号和f min，滑模控制器1生成的频率切换信号u的逻辑信号分别是 高电平1和低电平0,且高电平逻辑信号1用以选择低开关频率信号f min，低电平逻辑信号0则 选择高开关频率信号fmax，并由变频选择开关2输出开关频率信号fs送到PFM发生器的输入 端，用以控制PFM发生器生成频率变化的脉冲控制信号。
[0045] 所述的模糊选频控制器是利用模糊控制规则进行如下步骤设计：
[0046] (1)首先，采样LLC谐振直流变换器的输出给定信号Irrf作为模糊选频控制3的输入 变量，两个可供切换的高、低开关频率fmx和匕^分别作为模糊选频控制器3的输出变量；
[0047] (2)所述的模糊选频控制器3对输入的给定信号Iref进行模糊化，将模糊化后的信 号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，根据模糊控制规则得出输出模糊值：
[0048] (3)所述的模糊选频控制器3根据得出的两个输出模糊值对输出信号进行解模糊， 得到所需要的两个高、低切换频率的精确值fmjPfmin;
[0049] ⑷模糊选频控制器3输出的两个高、低工作频率fmax和fmin由滑模控制器输出的频 率切换信号u进行切换控制，再经PFM发生器生成相应的脉冲控制信号，通过驱动电路后产 生驱动信号，以控制LLC谐振直流变换器中功率开关管的开闭。
[0050] 因全桥LLC谐振直流变换器和半桥谐振直流变换器的控制方法一样，故以上实施 方法同样实用于全桥LLC谐振直流变换器的控制。
[0051 ]本发明的一个具体实施例子如下：
[0052]如图2所示，LLC谐振直流变换器为半桥型，采用模糊选频滑模控制器4实现调光。 直流输入侧电压Vdc = 430V，额定输出功率Pc> = 240W，额定输出直流电压ν〇 = 3〇ν，高频变压 器原、副边阻数分别是Νρ和Ns，变压器原边谐振电感Lr=158uH，励磁电感Lm=700uH，谐振电 容C r = 47nF，输出电容C。= 2000uF，功率开关管Q!、Q2选用意法半导体公司的STF22NM60N，&、 C2是半桥母线电容，Dl、D2是副边整流二极管，R。是负载等效电阻，I。是输出电流彳目号，Iref是 给定电流信号，e是输出电流信号与给定电流信号的误差值，u是滑模控制器输出的频率切 换控制信号，f s是PFM的工作频率。LLC谐振直流变换器的给定电流信号Iref，输出采样电流 信号I。与给定电流信号I ref的误差值均送到模糊选频滑模控制器4,模糊选频滑模控制器4 的输出送到PFM发生器，由PFM发生器生成脉冲控制信号PWM1和PWM2,经驱动电路后生成两 路互补且占空比为50%的驱动信号V drl、和Vdr2,用以控制LLC谐振变换器中功率开关管开 闭，以实现对输出电流的调节。
[0053]所述具体实例半桥LLC谐振直流变换器的模糊选频控制器设计如下：
[0054]对输入到模糊选频控制器中的调光给定电流信号Iref进行模糊化，经模糊推理后 进行解模糊输出精确控制量fmin和fmax。其中，输入变量Irrf、输出控制量fmin和fma^基本论 域分别为：
[0055] Iref={l，2,3,4,5,6,7,8};
[0056] fmin = {55000,70000,90000,110000,200000}；
[0057] fmax= {135000，140000，180000，200000，260000}。
[0058] 其中输入模糊变量IREF、输出模糊控制量Fmin和Fmax的模糊论域分别为：
[0059] IREF={1，2,3,4,5,6,7,8};
[0060] Fmin={5.5,7,9，ll，20};
[0061] Fmax={13.5，14，18,20,26}。
[0062] 输入变量的量化因子是1，输出控制量的量化因子是1 /10000，I REF、Fmin和Fmax的语 言值分别选为：
[0063] Iref= {较暗(DR)，暗(D)，亮(B)，较亮(BR)，最亮(BT)};
[0064] Fmin= {最小(MIN)，小（S)，中（MID)，大（BIG)，最大(MAX)};
[0065] Fmax= {最小(MIN)，小（S)，中（MID)，大（BIG)，最大(MAX)}。
[0066] IREF、Fmin和Fmax模糊控制规则表如下：
[0068]输入输出量的隶属函数米用三角形隶属函数法，输入输出量的隶属函数曲线如图 3到5所示。根据调光给定电流信号Ire3f，通过隶属函数曲线得到相应输入模糊信号IREF，将 输入模糊化信号IREF作为模糊规则的输入，完成模糊推理，根据模糊规则得出输出模糊控 制量F min和Fmax，选用加权平均法对输出模糊控制量进行解模糊得到输出控制量的精确值 f min和f max。例如，当LLC谐振直流变换器调光给定电流信号是4.5A，那么从图3中可以看出它 经过模糊化的信号是较暗(DR)和暗(D)，权值分别是0.5。然后通过模糊规则转化为输出模 糊控制量信号，用加权平均法可得到两个最大、最小工作频率分别为fm ax = 230kHz和fmin = 155kHz的精确值，作为模糊选频控制器的两个输出量。
[0069] 图6、图7和图8是在固定不变高、低工作频率fmax=260kHz和fmin = 55kHz下的滑模 控制输出电流I。波形。其中，图6给定电流信号为4A，此时输出电流纹波Ai为0.55A;图7给 定电流信号为4.5A，此时输出电流纹波Ai为0.48A;图8给定电流信号为5A，此时输出电流 纹波A i为0.4A。图9、图10和图11是在模糊选频滑模控制器控制下的输出电流I。波形。其 中，图9给定电流信号为4A，此时的高、低工作频率分别是 :fmax = 260kHZ，fmin = 200kHz，输出 电流纹波A i为0.018A;图10给定电流信号为4.5A，此时的高、低工作频率分别是：fmax = 230kHz，fmin=155kHz，输出电流纹波Ai为0.006A;图11给定电流信号为5A，此时的高、低工 作频率分别是:f max = 200kHz，fmin = 110kHz，输出电流纹波Δ i为〇. 009A。可见相对应的电流 给定下，固定切换开关频率的滑模控制所输出的电流存在较大跟踪误差，并且输出电流纹 波较大。而本发明模糊选频滑模控制器控制下的输出电流纹波要比固定切换开关频率下滑 模控制的输出电流纹波小很多，且输出电流跟踪更精确。
[0070]从以上的描述可知，本发明所提出的一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控 制器能实现谐振直流变换器低纹波的稳定输出，实验结果验证了本发明提出方法的有效 性，具有以下的优点：
[0071 ] (1)用数字信号处理器实现模糊选频滑模控制器，只需通过软件编程就可实现控 制，故对于LLC谐振直流变换器来说，无额外的硬件成本开销和额外的功率损耗，从而实现 系统的高效率和高功率密度；
[0072] (2)LLC谐振直流变换器运行在不同功率等级的负载工况下，可确保系统获得低纹 波输出，从而使得LLC谐振直流变换器的输出具有高稳态精度；
[0073] (3)该发明不限于LED调光应用，可应用在电动汽车充电机中，输出较低纹波的电 流，从而改善LED的调光性能和延长电池的寿命；
[0074] 本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技 术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一 些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，其特征在于LLC谐振直流变换器的 输出采样信号与给定信号的误差送到滑模控制器，滑模控制器的输出连到变频选择开关， LLC谐振直流变换器的输出给定信号送到模糊选频控制器，模糊选频控制器的输出连到变 频选择开关，变频选择开关的输出送到PFM发生器经驱动电路后送到LLC谐振直流变换器的 功率开关管。2. 根据权利要求1所述的一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，其特征还在 于所述模糊选频滑模控制器能根据LLC谐振直流变换器的输出给定信号，经模糊选频控制 器生成高、低两路开关频率信号，送到变频选择开关的输入端；由变频选择开关根据滑模控 制器所输出的频率切换信号来选择相应的开关频率，再经PFM发生器生成相应的脉冲控制 信号，送到驱动电路生成驱动信号控制LLC谐振直流变换器功率开关管的开闲。3. 根据权利要求1或2所述的一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，其特征 在于所述LLC谐振直流变换器的输出采样信号与给定信号的误差和LLC谐振直流变换器的 输出给定信号均送到模糊选频滑模控制器，其特征在于将给定信号送到模糊选频控制器生 成两路开关频率信号，一个是高开关频率信号，另一个是低开关频率信号，以供变频选择开 关选择，且变频选择开关选择其中一个频率信号作为输出频率。4. 根据权利要求1、2或3所述的一种LLC谐振直流变换器的模糊选频滑模控制器，其特 征在于所述模糊选频滑模控制器中，滑模控制器所输出的频率切换信号和模糊选频控制器 所生成高、低两路开关频率信号，均送到变频选择开关，其特征在于由频率切换信号来选择 高、低开关频率信号，滑模控制器生成的频率切换信号的逻辑分别是高电平1和低电平〇,且 高电平逻辑信号1用以选择低开关频率信号，低电平逻辑信号〇则选择高开关频率信号，并 由变频选择开关输出到PFM发生器的输入端，用以控制PFM发生器生成频率变化的脉冲控制 信号。
【文档编号】H02M3/335GK106026675SQ201610536858
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】曹松银, 孙开贺, 方宇
【申请人】扬州大学