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非单调增益曲线的闭环设计
阅读: 417 |  回复: 6 楼层直达

2020/03/30 20:56:08
1
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

  最近遇到一个问题,有一传感器其频率和增益(输出)的关系呈抛物线状如下图:

最大值锁定 

那么采用何种闭环控制能将结果锁定在抛物线的最大值处?

2020/03/31 09:11:15
2
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

做闭环控制时一般要求增益曲线呈单调性,比如LLC电路的增益曲线就有个容性、感性分界线,如果在分界线的一侧能工作正常那么跑到另一侧就不能正常工作。其原因大概是整个闭环系统要呈负反馈特性,如果工作点跑到另一侧就变成了正反馈特性。有一种解决办法是时时监测并改变补偿器的反馈特性,满足不同工作点(频率点)下整个系统都呈负反馈特性,比较典型的例子是MPPT(最大功率点跟踪)控制策略。

2020/03/31 09:12:49
3
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

MPPT控制策略有多种这里特指扰动法,在PSIM仿真软件中自带了几种扰动法实例列举其一:


                                               图1-1 MPPT扰动法原理图

这种控制策略是通过扰动判断反馈特性并时时纠正。

换一个角度看这个问题,如果对MPPT的功率曲线求导如下:

                                                    图1-2 MPPT功率曲线及求导

从右侧的导数曲线可以较容易的判断出左侧功率曲线的变化趋势,其过零点处既为最大功率点,扰动在这里最大的作用就是产生△V并通过测量△P判断出当前曲线斜率。图1-1的这种形式由于扰动量直接加在补偿环节存在一个缺点,扰动量小动态响应慢,扰动量大波动大(有一种变步长能改善这个问题)。

2020/03/31 09:13:38
4
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

1-1的仿真结果如下:


                                                             图1-3 MPPT仿真结果

图中红色曲线是SolarCells的最大输出功率(模拟动态变化),蓝色曲线是跟踪功率,但在高精度传感器应用中是不期望存在这个波动量的,是否有其它解决方案?

2020/03/31 22:11:50
5
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

准备用Saber软件搭建一个MPPT仿真电路,首先模拟一下P/V曲线(通过扫描输出电压得到),电路如下:

SolarCells模拟电路 

                                           2-1 输出电压扫描P/V曲线电路

Saber中的SolarCells参数具体还不知道如何设置,不过对原理分析影响不大,仿真结果如下:

SolarCells曲线 

                                              2-2 不同光强下的P/V曲线

2020/04/04 09:40:36
6
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

根据图1-2的特性,非单调增益曲线的导数为单调曲线(这里不讨论多峰值问题),如果以dW/dV为被控量则补偿环节就可按常规电路来设计,根据这一思路得到的仿真结果如下:

大波动 

                                           2-3 Saber仿真动态MPPT波形

上图中的W1MPPT跟随功率,V1是输出电压,W0是不同光强下的最大输出功率,方式跟图2-2一样由扫描得到,如下:

功率标定 

                                          2-4 扫描得到SolarCells最大输出功率

目前对功率取微分采用的离散式,当逐渐降低微分时间同时功率及输出电压的波动性也会下降,对动态特性还未发现有什么影响。

小波动 

                                     2-5 小微分时间得到的MPPT波形

如果无限降低微分时间比如用模拟微分电路,不知道是否能将波动降为零也可能这样的MPPT电路根本无法工作?

2020/07/19 19:36:40
7
boy59[版主]
电源币:555 | 积分:113 主题帖:73 | 回复帖:331
LV9
军长

之前的硬件MPPT电路经过改进已经可以工作的比较理想了(虚线为扫描结果):

硬件MPPT 

                                                3-1 改进后纯硬件MPPT波形

但是这种工作模式只能锁定在最大功率而不能锁定在其它位置上,比如下面这种应用,

R扫描功率曲线 

                                            3-2 三极管功耗

控制三极管的Vce电压0~Vcc变化,三极管上的功耗为抛物线状非单调曲线,如何精确设置三极管的功耗在0~0.5W之间?为解决功率曲线的非单调性问题可引入微分器件dw/dv,以微分量作为被控量进行控制,系统就变成单调系统,电路及仿真结果如下:

RP电路 

                                            3-3 用微分进行系统变换

仿真结果2 

                                                       3-4 仿真结果

仿真结果显示达到预期目的可以锁定在抛物线的任意位置(实为锁定在不同斜率值处),未发现扰动量、纹波量。

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