[发明专利]一种能量闭环控制的直流电源

权利要求书

1.一种能量闭环控制的直流电源，其特征在于：包括主电路和控制电路两部分，主电路为标准Buck电路；控制电路包括：电感电流检测电路(1)、电容电压检测电路(2)、输出电流检测电路(3)、期望电容储能计算电路(4)、期望电感储能计算电路(5)、期望负载消耗能量计算电路(6)、期望总能量计算电路(7)、实际电感储能计算电路(8)、实际电容储能计算电路(9)、实际负载消耗能量计算电路(10)、负载辨识电路(11)、实际总能量计算电路(12)、运算电路(13)、控制器电路(14)、PWM信号电路(15)；

外界提供的电源输出电压给定值信号Uref分别接至期望电容储能计算电路(4)、期望电感储能计算电路(5)和期望负载消耗能量计算电路(6)的对应输入端；期望电容储能计算电路(4)、期望电感储能计算电路(5)和期望负载消耗能量计算电路(6)的输出端分别接至期望总能量计算电路(7)的对应输入端；期望总能量计算电路(7)的输出端接至运算电路(13)的对应输入端；电感电流检测电路(1)对电感(L1)的电流进行检测，电感电流检测电路(1)的检测信号输出端与实际电感储能计算电路(8)的输入端连接；电容电压检测电路(2)并联在电容(C1)的两端，电容电压检测电路(2)检测信号输出端分别与实际电容储能计算电路(9)、实际负载消耗能量计算电路(10)、负载辨识电路(11)的对应输入端连接；输出电流检测电路(3)对主电路的输出电流进行检测，输出电流检测电路(3)检测信号输出端分别与实际负载消耗能量计算电路(10)和负载辨识电路(11)的对应输入端连接；实际电感储能计算电路(8)、实际电容储能计算电路(9)和实际负载消耗能量计算电路(10)的输出端分别接至实际总能量计算电路(12)的对应输入端；负载辨识电路(11)的输出端分别与期望电感储能计算电路(5)和期望负载消耗能量计算电路(6)的对应输入端连接；实际总能量计算电路(12)的输出端接至运算电路(13)的对应输入端；运算电路(13)的输出端与控制器电路(14)的输入端连接；控制器电路(14)的输出端与PWM信号电路(15)的输入端连接；PWM信号电路(15)的输出端与主电路中电力电子器件(M1)的控制端连接；

电力电子器件(M1)、电感(L1)、电容(C1)、续流二极管(D1)连接构成标准Buck电路，将输入端的直流电压转换为输出端负载所需要的直流电压；

电感电流检测电路(1)对主电路电感(L1)的电流进行实时检测，并将检测结果传送至实际电感储能计算电路(8)；

电容电压检测电路(2)对主电路的输出电压进行实时检测，并将检测结果分别传送至实际电容储能计算电路(9)、实际负载消耗能量计算电路(10)和负载辨识电路(11)；

输出电流检测电路(3)对主电路的输出电流进行实时检测，并将检测结果分别传送至实际负载消耗能量计算电路(10)和负载辨识电路(11)；

期望电容储能计算电路(4)根据外界提供的电源输出电压给定值信号U_ref，计算出当实际输出电压等于输出电压给定值时电容(C1)所存储的能量，并将计算结果传送至期望总能量计算电路(7)；

期望电感储能计算电路(5)根据外界提供的电源输出电压给定值信号U_ref和负载辨识电路(11)提供的电源负载等效电阻值信号，计算出当实际输出电压等于输出电压给定值时电感(L1)所存储的能量，并将计算结果传送至期望总能量计算电路(7)；

期望负载消耗能量计算电路(6)根据外界提供的电源输出电压给定值信号U_ref和负载辨识电路(11)提供的电源负载等效电阻值信号，计算出当实际输出电压等于输出电压给定值时电源负载在一个控制周期时间段内所消耗的能量，并将计算结果传送至期望总能量计算电路(7)；

期望总能量计算电路(7)对三路输入信号进行加法运算，即根据获得的期望电容储能、期望电感储能和期望负载消耗能量，通过加法运算而计算出三者之和，并将计算结果传送至运算电路(13)；

实际电感储能计算电路(8)根据获得的电感电流信号，计算出当前电感(L1)的实际储能，并将计算结果传送至实际总能量计算电路(12)；

实际电容储能计算电路(9)根据获得的输出电压信号，计算出电容(C1)的实际储能，并将计算结果传送至实际总能量计算电路(12)；

实际负载消耗能量计算电路(10)根据获得的输出电压信号和输出电流信号，计算出电源负载在当前时刻的前一个控制周期时间段内所消耗的能量，并将计算结果传送至实际总能量计算电路(12)；

负载辨识电路(11)根据获得的输出电压信号和输出电流信号，计算出电源负载的等效电阻值，并将计算结果传送至期望电感储能计算电路(5)和期望负载消耗能量计算电路(6)；

实际总能量计算电路(12)对三路输入信号进行加法运算，即根据获得的实际电容储能、实际电感储能和实际负载消耗能量，通过加法运算而计算出三者之和，并将计算结果传送至运算电路(13)；

运算电路(13)对两路输入信号进行减法运算，并将计算结果传送至控制器电路(14)；

控制器电路(14)根据运算电路(13)提供的差值信号进行PID运算，生成调制信号，并将该调制信号传送至PWM信号电路(15)；

PWM信号电路(15)根据输入的调制信号生成主电路中电力电子器件(M1)所需的驱动信号，驱动信号被送至电力电子器件(M1)的控制端，控制电力电子器件(M1)的通、断；

在实际运行过程中，当电源的实际总能量小于期望总能量时，运算电路(13)计算出的差值为正，控制器电路(14)生成的调制信号的幅值不断变大，PWM信号电路(15)输出的PWM信号的占空比也持续变大，假设电力电子器件(M1)为高电平导通，在一个开关周期时间段内电力电子器件(M1)的导通时间延长，进而输入端的外界电源可以为主电路和负载提供更多的能量，主电路中的电感和电容储能增加，输出电压升高，最终实际总能量不断增加； 当电源的实际总能量大于期望总能量时，运算电路(13)计算出的差值为负，控制器电路(14)生成的调制信号的幅值不断减小，PWM信号电路(15)输出的PWM信号的占空比也持续减小，在一个开关周期时间段内电力电子器件(M1)的导通时间缩短，输入端的外界电源为主电路和负载提供的能量减少，即实际总能量不断减少。

2.根据权利要求1所述的一种能量闭环控制的直流电源，其特征在于：所述主电路为Buck电路的其他拓扑结构形式，或者其他形式的DC/DC变换电路。