一种基于大功率升降压电路的PWM控制算法的制作方法

一种基于大功率升降压电路的pwm控制算法
技术领域
1.本发明涉及太阳能控制器领域，特别涉及一种基于太阳能控制器大功率升降压电路的pwm控制算法。


背景技术：

2.直流-直流变换器(dc/dc)广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器、仪表、军事、航天等领域，它涉及到国民经济的各行各业。可以这么说，如果没有dc/dc技术，就没有现在人们多姿多彩的生活，就没有如今科技的腾飞。dc/dc变换器按功率大小来划分，可分为750w以上，750w～1w和1w以下3大类。1w以下主要是运用于集成电路、低功耗设备等应用领域。自从20世纪90年代以来，6w～25w的dc/dc变换器增长迅速，那是因为它们大量运用于直流测量和测试设备上；251w～750w的dc/dc变换器也发展迅速，主要运用于医疗、实验设备、工业控制设备、远程通讯设备等领域。近十几年，随着太阳能电池板控制器、新能源汽车、大功率设备的发展，大于750w 的dc/dc变换器也迅速发展起来。dc/dc从工作机理来分，可分为直流降压、直流升压以及直流升降压，升压和降压运用领域十分广泛，涉及到各行各业，普及到人们生活中方方面面。市面上的太阳能控制器大多数是以dc/dc降压或者升压的方式给电池充电，同时具备升降压两种方式的比较少。随着新能源的发展，对太阳能的使用效率要求也越来越高，如何提高太能利用率，太阳能电池板充电器工作机理至关重要，然而升降压电路最重要的核心技术就是通过控制pwm脉冲宽度或者频率来调节输出电压、输出电流、输入电压以及输入电流，俗称脉宽调制(pulse width modulation简称pwm)。
3.直流降压电路主要运用在输入电源的电压比要求输出的电压高的系统中，由于输入端的电压比要求输出电压高，所以需要将输入端的电压降到要求的电压水平上来，才能保证设备正常工作。直流升压电路主要运用在输入电源的电压比要求输出的电压低的系统中，由于输入端的电压比要求输出电压低，带动能力不够，需要将输入源的电压抬高到需要的电压水平上来，这样才能保证设备正常工作。然而升降压电路主要是运用在一些要求比较灵活的设备上，比如太阳能控制器，由于太阳能电池板容易受到光照强度、环境温度以及气候变化的影响，它的输出电压是实时变化的。如果在太阳能电池控制器上单纯使用降压电路或者升压电路，容易导致太阳能高于或低于系统要求的最低工作电压那部分能量流失，造成能源浪费。然而升降压系统很灵活地随太阳能电池板输出电压变化而变化，即是可升压充电也可降压充电，从而提高能源的利用，也提高设备的效率。但是升降压控制系统是一个十分复杂的过程，如果处理不好，容易导致灌流，烧坏功率管，从而导致设备损坏，甚至影响人身安全。这里研究的是大功率升降压充电系统中pwm控制算法，所以对独立式升压系统和独立式降压系统不做过多解释。下面将以一个经典的升降压控制电路来分析其控制机理，并分析使用多阶段模式控制的复杂性，如图1所示。
4.其中vin表示的是输入电压，vout表示的是输出电压，rsense表示续流电阻，l表示电感，a、b、c、d表示功率管。a管和b管组成降压电路，b管是 a管的续流管；c管和d管组成升
压电路，d管是c管的续流管。降压电路和升压电路组成一起从而构成了一个升降压电路系统。由于b管和d管分别是a管和c 管的续流管，所以主要控制a管和c管便可实现升降压电路系统的控制。一对互补管主需要一路带死区的互补pwm即可控制其工作。但是，如何控制a管和c 管互相配合工作才能保证电路正常工作，这是一个十分复杂的控制过程。最经典的做法就是控制电流从而达到控制电压的效果，下图2和图3分别是电流控制模式结构图和工作过程分解图。
5.从图2分析来看，控制的因子是vin/vout，只有当vin/vout小于0.98时，系统方可切换到升压模式；只有当vin/vout大于1.02时，系统方可切换到降压模式，那么0.98～1.02之间就是升降压模式，如何控制pwm去实现这几个过程切换是十分重要的，处理不好容易导致灌流，烧坏开关管。所以进一步拆解其工作过程，如图3所示，整个过程可以分为4个阶段，阶段1和阶段3时从降压模式向升压模式过渡，而阶段4和阶段2是升压模式向降压模式过渡。下面具体分析这4个阶段工作机理。
6.阶段1：当vin/vout大于1.25时，设备要完全工作在降压模式，如下图4所示，是升降压电路系统工作在降压模式时的pwm控制波形图。
7.从图4中可以得出，c管要全关，d管要全开，这时要控制a管和b管，上面分析得知，b管是a管的互补管，所以只需要使用一对互补pwm根据vin/vout 变化来控制a管。便可达到控制系统在降压模式下工作。
8.阶段3：当vin/vout大于0.75并且小于1.0时，设备要工作在降升压模式，如下图5所示，是升降压电路系统工作在降升压模式时的pwm控制波形图。
9.从图5中可以得出，这个模式下，a、b、c、d四个功率管都参与工作，上面分析得知，b管是a管续流管，d管是c管续流管。但这时a管要打开80％，b 管要打开20％，c管要根据vin/vout变化来调制，便可达到控制系统在降升压模式下工作。
10.阶段4：当vin/vout小于0.85时，设备要工作在升压模式，如图6所示，是升降压系统工作在升压模式时的pwm控制波形图。
11.从图6中可以得出，a管要全关，b管要全开，这时要控制c管和d管上面，分析得知，d管是c管的互补管，所以主需要使用一对互补pwm根据vin/vout 变化来调制c管。便可达到控制升降压电路系统在升压模式下工作。
12.阶段2：当vin/vout大于1.0并且小于1.33时，设备要工作在升降压模式，如下图7所示，是升降压系统工作在升降压时的pwm控制波形图。
13.从图7中可以得出，这个模式下，a、b、c、d四个功率管都参与工作，上面分析得知，b管是a管续流管，d管是c管续流管。但这时d管要打开80％，c 管要打开20％，a管要根据vin/vout变化来调制，便可达到控制升降压电路系统在升降压模式下工作。
14.从这4个阶段分析可知，最重要的控制因子是vin/vout，在不同阶段，其变化直接影响到控制管的pwm占空比。对这个系统中的输入源vin来说，它一个可被干扰的因素，如果它受到外部干扰突然增大，那么容易导致阶段3和阶段 4中c管全开，这个时候，输出电压增大，就会面临超过电池端所需要的电压，对电池造成致命的伤害。另外一种重要的缺点就是对这4个阶段的切换以及控制需要考虑电感的感量参与计算，过程复杂，不易操作。


技术实现要素：

15.本发明的目的是提供一种不用考虑电感的感量，不用考虑vin/vout的变化率，更不用考虑这4个阶段的切换，操作十分简单，大大的简化了升降压控制系统的繁琐过程，简化控制器大数据处理的负担的基于大功率升降压电路的 pwm控制算法。
16.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
17.一种基于大功率升降压电路的pwm控制算法，包括以下步骤：
18.s0：启动初始化，在启动初始化阶段，设置一个总占空比变量dyty
sub
，其变化范围为0～5000*1.85，另外设定一个打开c功率管的条件duty
openc
，其值为 5000*0.95；
19.s1：全局扫描，当设备正常开机后，会有一个软启动的过程，在这个软启动过程，dyty
sub
从0开始慢慢增大，直到找到了输入源处于最大输出功率时，保存当前的dyty
sub
值作为输入源最大功率点对应的最大总占空比值；
20.s2：工作模式识别，根据输入电源的能力和电池的状态来准确进入相应的工作模式，dyty
sub
值依旧保持不变，其中工作模式包括恒压模式、恒流模式和 mppt模式，dyty
sub
值根据不同的工作模式进行控制；
21.mode0：恒压模式，使用pid控制算法得出dyty
sub
值；
22.mode1：恒流模式，使用逐级逼近算法得出dyty
sub
值；
23.mode2：mppt模式，使用扰动跟踪算法得出dyty
sub
值；
24.最后将dyty
sub
值加载到升降压电路中的a功率管和c功率管，即a功率管＝dyty
sub
+死区；c功率管＝dyty
sub-duty
open
+死区。
25.进一步地，在s0：启动初始化中，pwm工作主频是200mhz，配置为40khz 互补pwm输出，对应pwm调节有5000个调节点。
26.进一步地，在s0：启动初始化中，5000*1.85指的是，当输入源的电压降低到最小充电电压时，总占空比比值为1.85时正好是系统要求的输出电压。
27.进一步地，在s1：全局扫描中，电池始终都是接在控制器的输出端，随着 dyty
sub
值的增大，如果输入源的功率满足了电池要求后，继续增大dyty
sub
，那么将会把输入电源的电压拉低，甚至导致输入源保护不能正常工作。
28.进一步地，所述死区设定为1us。
29.本发明的有益效果为：
30.本发明不但不用考虑电感的感量，也不用考虑vin/vout的变化率，更加不用考虑升降压电路的4个阶段的复杂切换。本发明的pwm算法核心就是全程只控制一个总占空比，同时设定一个打开c功率管的条件。这个总占空比指的是a功率管+c功率管的占空比之和，打开c功率管的条件指的是当总占空比达到某个设定值时就要打开c功率管输出的条件，全程不用理会b功率管和d功率管的状况，便可操作升降压电路工作在任何一个阶段。本发明，运用该pwm 算法，操作简单，简化了升降压控制系统的繁琐过程，简化控制器大数据处理的负担。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，对于本领域普通技术人员来讲，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。
32.图1是简化的升降压电路图；
33.图2是电流控制模式结构图；
34.图3是电路工作过程分解图；
35.图4是升降压电路系统工作在降压模式时的pwm控制波形图；
36.图5是升降压电路系统工作在降升压模式时的pwm控制波形图；
37.图6是升降压系统工作在升压模式时的pwm控制波形图；
38.图7是升降压系统工作在升降压时的pwm控制波形图；
39.图8是本实施例中给电池充电的过程的电压曲线；
40.图9是本实施例中给电池充电的过程的电流曲线；
41.图10是本发明的方框流程图。
具体实施方式
42.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明进行详细的介绍说明。
43.如图10所示的pwm控制算法的方框流程图。
44.一种基于大功率升降压电路的pwm控制算法，包括以下步骤：
45.s0：启动初始化，在本实施例中，pwm工作主频是200mhz，但配置为40khz 互补pwm输出，那么对应pwm调节就有5000个调节点。在启动初始化阶段，设置一个总占空比变量dyty
sub
，其变化范围为0～5000*1.85。这里的5000*1.85 指的是，如果输入源的电压已达到最小规定值，总占空比值达到5000*1.85是正好是系统要求的输出电压，这里5000说明一下：由于使用的mcu工作频率是 200mhz，pwm驱动频率是40khz，所以pwm周期是200mhz/40khz＝5000，不同mcu，工作频率以及pwm驱动频率不一样，这里5000都是可变的。另外设定一个打开c功率管的条件duty
openc
，其值为5000*0.95，意思是当总占空比大于duty
openc
时c功率管就可以打开了，否则它要一直关闭着。从这里可以明确得出，pwm控制算法全程主要控制dyty
sub
便可实现所有控制过程。
46.s1：全局扫描，在本实施例中，当设备正常开机后，会有一个软启动的过程。在这个软启动过程，dyty
sub
从0开始慢慢增大，直到找到了输入源处于最大输出功率时，保存当前的dyty
sub
值作为输入源最大功率点对应的最大总占空比值。在实施例中，电池始终都是接在控制器的输出端，随着dyty
sub
值的增大，如果输入源的功率满足了电池要求后，继续增dyty
sub
，那么将会把输入电源的电压拉低，甚至导致输入源保护不能正常工作。这就是为什么在这个模式下要软启动的具体原因，慢慢增大dyty
sub
值，找到满足电池的功率后，这时也是输入源最大需要的输出值，然后进入下一个具体工作模式。
47.s2：工作模式识别，在实施例中，系统根据电池状况以及输入源的功率进行识别，然后进入最佳工作模式。如果电池电压比较低，输入源的功率足够大，那么可以进入恒流模式；如果是电池快充满状态，避免过大电流对电池的伤害，那么可以选择进入恒压模式；如果是太阳能电池板输入，电池电压过低，可以选择mppt工作模式；如果是适配器接入工作，那么同时启动适配器充电。在这个模式下，系统是根据输入电源的能力和电池的状态来准
确进入相应的工作模式，从而对电池起到保护作用，也可以延长电池寿命。在这个模式下，dyty
sub
值依旧保持不变，dyty
sub
值具体控制将会落实到恒压模式、恒流模式以及mppt 模式上。
48.mode0：恒压模式
49.在实施例中，当设备运行在恒压模式，说明电池充电已经快充满了，这个时候需要保持输出端的电压恒定不变，以小电流给电池充电直到充满，这样对电池而言无疑是最好的充电方式。在这个模式下，dyty
sub
的控制使用pid控制算法，pid算法的特点是动态响应快，稳定好，能够快速稳定地恒定输出电压。由于在全局扫描阶段已经有软启动过程，这时的输出电压已经很靠近电池的电压，使用pid调节dyty
sub
的话，还可以去除pid从0开始带来的震荡问题。
50.mode1：恒流模式
51.恒流模式在实施例中是分恒定输入电流和恒定输出电流两种模式。当电池的电用完后，电池承受得起大电流充电，在实施例中，最高充电电流高达30a。至于是恒定输入电流还是输出电流，这是充电系统根据输入源的能力来确定的，系统自动切换。在这个模式下dyty
sub
的控制方式为逐级逼近算法，也常用的逐级逼近，具体方法是：在已经被确定的函数单调区间内，先将假定的解代入方程，然后根据方程的误差反过来修正解，直到方程的误差降至设定的范围。在恒流模式之所以使用逐级逼近算法而不是pid，那是因为在实测中发现在这个模式下使用逐级逼近算法比pid调节算法更加合适。
52.mode2：mppt模式
53.mppt模式是所有太阳能电池板控制器必须具备的功能。因为太阳能电池板的电压与电流并不是线性关系，容易受到大气压、日照强度以及温度影响。所以需要对太阳能电池板实行最大功率点追踪，以确保太阳能电池板实时以最大输出功率给电池充电，从而提高太阳能是使用效率，更加是提高对太阳能的利用。在这个模式下，dyty
sub
的控制方式是扰动跟踪算法，即为通用的扰动观察法，即是试探性增加dyty
sub
，然后观察下一个周期的功率变化，如果是继续增大，说明扰动方向是功率递增的方向，否则需要减小dyty
sub
促使它往反方向拉回，时刻保证mppt处于最大功率点下工作。在实施例中，经测试，在这个模式下使用扰动跟踪方法是对的，每次太阳能电池板电压变动后，都能够及时跟踪到最大点。
54.但不管系统是给你工作在全局扫描、恒压模式、恒流模式，还是mppt模式，经过该模式下的算法计算之后，始终得到的总是一个dyty
sub
值。然而dyty
sub
最终的作用是体现在加载到升降压电路中的a功率管和c功率管。具体实现如下：
55.a管＝dyty
sub
+死区；
56.c管＝dyty
sub-duty
openc
+死区；
57.该死区设定为1us。
58.pwm控制算法就是通过上述方式去控制升降压电路在各阶段下工作。
59.本发明不但不用考虑电感的感量，也不用考虑v
in
/v
out
的变化率，更加不用考虑升降压电路的4个阶段的复杂切换。本发明的pwm算法核心就是全程只控制一个总占空比，同时设定一个打开c功率管的条件。这个总占空比指的是a功率管+c功率管的占空比之和，打开c功率管的条件指的是当总占空比达到某个设定值时就要打开c功率管输出的条件，全程不用理会b功率管和d功率管的状况，便可操作升降压电路工作在任何一个阶段。本发明，运
用该pwm算法，操作简单，简化了升降压控制系统的繁琐过程，简化控制器大数据处理的负担。
60.在实施例中，pwm控制算法运用太阳能控制器充电系统中，系统稳定性好，可靠性高，充电时间短等优点。对于一个电池来说，充电曲线是直接反应充电器的一个最佳指标。下面图8和图9分别是实施例中给电池充电的过程的电压曲线和电流曲线，漂亮的充电曲线同时也是对这个系统性能优点的最好证明。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。