[发明专利]基于自适应预测控制的数字功率放大方法与装置

摘要

本发明涉及数模混合集成电路设计领域，为提出一种精度高、转换速度快、适应性强的功率放大装置，用于一次仿真系统到二次实际系统的功率放大。为此，本发明采取的技术方案是，基于自适应预测控制的数字功率放大装置，包括采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路、采样芯片、FPGA控制芯片、电平转换芯片、光耦隔离芯片、IPM，经过调理电路处理电流和电压输入由FPGA控制芯片控制的采样芯片，FPGA读取其输出结果进行参数估计，再结合目标电流值计算控制信号的占空比；由计算出的占空比生成四路开关周期内的方波，再经过电平转换芯片和光耦隔离芯片，驱动IPM里的IGBT工作。本发明主要应用于数模混合集成电路设计。

主权项

一种基于自适应预测控制的数字功率放大方法，其特征是，借助于如下装置实现，包括采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路、FPGA控制芯片、电平转换芯片、光耦隔离芯片、IPM的装置，经过调理电路处理电流和电压输入由FPGA控制芯片控制的采样芯片，FPGA读取其输出结果进行参数估计，再结合目标电流值计算控制信号的占空比；由计算出的占空比生成四路开关周期内的方波，再经过电平转换芯片和光耦隔离芯片，驱动IPM里的IGBT工作；所述方法的具体步骤是：利用电流电压采样值实时估计负荷的基本参数，再根据下一开关周期给定的目标电流值，计算出IGBT控制信号的占空比，并生成控制信号，自适应预测控制的算法步骤如下：①负载参数估计列写负载的电压方程并离散化可得ukT+u(k+1)T2=Li(k+1)T-ikTT+(i(k+1)T+ikT)2R---(1)]]>其中，L和R是负载电感和电阻，ukT和u(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电压，ikT和i(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电流；假设u在T时间内恒为ukT，则i(k+1)T=(1-RL/T+0.5R)ikT+1L/T+0.5RukT---(2)]]>拟合回归方程为i^(k+1)T=αikT+βukT---(3)]]>结合电压电流的采样值利用最小二乘法进行二元线性回归估计，得到参数α，β；其中i‾(k+1)T=1nΣj=1ni(k+1)Tj,u‾kT=1nΣj=1nukTj,i‾kT=1nΣj=1nikTj,aj=i(k+1)Tj-i‾(k+1)T,bj=ikTj-i‾kT,cj=ukTj-u‾kT;]]>α=(Σj=1najbj)(Σj=1ncj2)-(Σj=1najcj)(Σj=1nbjcj)(Σj=1nbj2)(Σj=1ncj2)-(Σj=1nbjcj)2β=(Σj=1najcj)(Σj=1nbj2)-(Σj=1najbj)(Σj=1nbjcj)(Σj=1nbj2)(Σj=1ncj2)-(Σj=1nbjcj)2---(4)]]>②预测控制若一个开关周期TW内有l个采样点，则开关周期的输出电流递推关系为i(k+1)Tw=αlikTw+βΣj=0l-1αju‾j---(5)]]>由式(2)和式(3)可知，由于R<<L/T，令有α≈1，所以αl＝(1+δ)l＝1+lδ；若将开关周期内对应的功率开关管开通时间T1和关断时间T2安排为对称分布i(k+1)Tw=(1+lδ)ikTw+(1+l-12δ)βlu‾---(6)]]>将下一开关周期的输出电流设置为下一开关周期的输出电流指令值则有u‾=i(k+1)Tw*-(1+lδ)ikTw(1+l-12δ)βl---(7)]]>根据计算开通时间Ton，关断时间Toff，则有Ton=Tw2(1+u‾ud)Toff=Tw2(1-u‾ud)---(8)]]>考虑到计算时间和IGBT开通关断时间，将预测提前h个采样周期，则有ikTw=(1+hδ)i(kTw-hT)+βΣj=0h-1(1+jδ)u‾j---(9)]]>其中，为kTw‑hT时刻负载电流的采样值。