黑猩猩算法优化光伏MPPT的研究

研究了黑猩猩算法对光伏最大功率追踪的优化,提出相应模型和方法。分析了月球科研站的光伏条件,建立了光伏系统仿真模型,模型包括光伏电池组、DC/DC变换器、最大功率追踪模糊逻辑控制器。模型根据电池组的非对称特性,设置控制器隶属度函数实现最大功率追踪。通过黑猩猩算法对最大功率追踪性能进行优化,提出适合评估最大功率追踪速度和精度的适应度函数建立方法以及隶属度函数参数迭代优化方法。根据运行结果优化控制设置,并与传统扰动观察控制进行对比。仿真结果表明:采用提出的优化模型和方法,光伏系统可以实现更快的功率追踪速度和更准确的最大功率输出。

利用参考电压注入的Buck变换器电感电容估计

电路的元件参数,尤其是电感和电容值,严重影响着Buck变换器的控制性能。提出了一种参考电压脉冲注入法用于电感和电容的在线估计。为了提高Buck变换器中电感和电容值的估计精度,利用原稳态和新稳态构建满秩状态方程,在线推导算法所需寄生参数和负载电阻。研究基于电感伏秒特性和电容电荷平衡特性的精确离散时间变换器模型,为元件参数估计奠定了基础。通过给参考电压注入短脉冲信号,并使用PID控制器对电路中的电感电流和输出电压进行调节,建立了用于参数估计的瞬态和新稳态。利用瞬态中采样的电压和电感电流估计电感和电容值,避免了稳态时的收敛问题。基于提出的平均电感电流估计算法,电流采样频率降低至开关频率。最后,在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证,结果表明:即使在考虑实际噪声的情况下,电感和电容值的最大估计误差分别小于2%和4.2%;相较于其他参数估计算法,参考电压脉冲注入方法的引入有效提高了参数辨识的估计精度,有助于Buck变换器系统控制性能的提升。

一种可用于航天Boost拓扑电源参数辨识的数字孪生方法

电力电子变换器中元器件随时间退化会影响到航天电源的稳定性与可靠性。为确保航天电源的可靠性,并准确识别零部件状态,数字孪生依靠其非侵入性、数字化、高性价比、低风险、可视化与实时性的特点,可以解决电力电子变换器的故障趋势判断与状态检测的问题,从而保证航天电源的稳定性与可靠性。通过验证Boost拓扑电路的数字孪生模型,同时采用禁忌搜索算法以比较结果最小二乘误差为目标函数得到全局最优解,进行Boost拓扑电路参数辨识、实时监控。并且对比了100、500、1000算法迭代次数对结果的影响,随着迭代次数的增加,最终结果与实际值仅有最大0.96%的误差。验证该项技术可应用到航天电源的实时状态监控,以保证其可靠性。

一种用动态神经网络的月面科研站电源系统分析方法

月面科研站能源系统工况复杂,对其电源系统的稳定性分析十分重要,电源系统建模复杂,将其等效为黑箱子模型,通过输入和输出特性判断稳定性。提出了一种利用动态神经网络根据给定输入估计系统的预测输出,判断系统的稳定性。神经网络模型的训练数据集通过仿真生成,通过选择合适的神经网络结构和超参数,获得最佳的传递函数辨识结果。以Buck电路为例,采用MATLAB的Simulink模块进行仿真得到神经网络训练集,神经网络预测输出能贴近仿真输出,验证了该方法的有效性。

深空探测应用微型化自适应算法控制器研究

深空探测应用控制系统中最为核心的是控制器的设计。通过采用先进的控制策略,能降低对控制器处理能力的需求。面对工作需求多样,工作内容复杂的深空探测应用,微型化控制器需要更加智能的算法和更加合理的控制策略来维持系统的稳定性。

一种应用于探测的可预测电流模式FSBB电路

探测器的能源供给离不开DC-DC变换器,先进的控制方法能提高工作效率。预测电流模式控制相比于传统的PI控制具有动态响应快、易于进行过流保护等优点,因此被广泛应用到电力电子控制领域。由于控制回路的问题,不能通过计算开环增益的方式对负载波动与输出电压变化的闭环传递函数进行有效地设计。因此,提出了一种在不加前馈控制的情况下,基于预测电流模式控制四开关Buck-Boost(four-switch Buck-Boost,FSBB)变换器补偿器的设计方案,该方法能提升负载动态响应,通过实验数据,证明了该方法的有效性。

行星、卫星探测器用移动供电平台电源系统技术研究

在不同场景下,行星、卫星探测器用的移动供电场合有不同的供电任务需求。基于未来的任务规划框架,对行星、卫星探测器用移动供电平台电源系统任务需求进行分析研究。对行星、卫星探测器用移动供电平台电源系统提供组成方案,并对电源系统的功能、工作原理和工作模式分析,给出主要技术指标。基于方案设计和应用场景任务类型,开展两类原理样机的研制,以及对后续工作进行探讨,为接下来的工作提供思路。

高效率快速响应的全集成KY升压转换器设计

基于TSMC 65 nm CMOS工艺,设计了一款高效率快速响应的全集成KY升压转换器.针对脉宽调制(PWM)轻载效率低,瞬态响应慢的问题,提出了一种带瞬态增强的自适应恒定导通与关断时间的变频控制策略.该策略采用自适应时间控制技术,可根据输入、输出电压和负载电流自动调整计时,优化了输出电压纹波.同时设计了瞬态增强电路,当输出低至限压阈值时,通过延长计时器的充电时间加速系统恢复.此外,还设计了DCM自校准电路,实现了精确的过零关断.仿真结果表明,在输入电压1.5 V,输出电压1.8 V的典型应用下,负载范围为0~120 mA,峰值效率为71.5%.在10 mA轻载下,效率仍有52.4%.当负载电流在110 mA的阶跃高度瞬变时,响应速度分别为2.55 ns/mA和6.18 ns/mA.

硼酸铵改性碳纳米纤维负极材料制备及储钠性能研究

通过合理的合成路线与微观结构设计,开发具有高比容量和柔性的钠离子电池负极材料,是当前的难点。采用静电纺丝制备自支撑碳纳米纤维膜,利用不同浓度的硼酸铵溶液对纤维膜进行改性,研究了浸渍溶液浓度和热处理温度对碳纳米纤维膜相组成、微观形貌及储钠性能的影响。结果表明:低浓度硼酸铵溶液改性并未改变纤维膜三维相互交错的空间结构,但纤维膜表面粗糙程度增加,使改性后的碳纳米纤维缺陷和活性点位增多并减小了碳层间距。采用0.02mol/L硼酸铵溶液浸渍改性和600℃热处理后得到的碳纳米纤维膜作为钠离子电池自支撑负极时,可获得最优的储钠性能。在100mA/g电流密度下,该电池初始充比容量为354.7mAh/g,循环100周后电池的可逆充放电比容量为316.8mAh/g,表现出优异的储钠性能。

多层与多对象结构方程模型的约束最小二乘解

广泛应用的结构方程模型(SEM)属于不定方程模型。首先对现有的偏最小二乘(PLS)算法进行了改进,在模长约束和路径分析思路下找到PLS最佳迭代初值,然后结合配方回归给出了模型的确定性算法。一般SEM的结构变量是单层的,直接联结观测变量;提出了多层SEM,它的结构变量有下级结构变量,再联结观测变量;基于约束最小二乘给出了算法。一般SEM的观测变量来自一个总体,因而提出了多对象结构方程模型,它的观测变量来自多个总体,结合原来提出的评估模型给出了相应的算法。

电源管理芯片中热关断电路的设计

为了防止芯片过热,文章提出了两种温度检测技术:利用PTAT电流的正温度特性或利用PN结的负温度特性。在此基础上,设计出一种低功耗、具有迟滞功能的热关断电路:电路结构非常紧凑,采用1.5μm的P衬N阱数模混合1P2MBiCMOS工艺。Hspice仿真结果表明:当温度超过150℃时,电路输出发生翻转,禁止芯片工作;当温度降至115℃时,恢复芯片工作。该电路的最大工作电流不超过150μA,能很好地抑制由于电源电压和工艺参数变化造成的热关断阈值点的漂移,适用于各种电源管理芯片。

基于改进EKF的DC/DC转换器电感电流观测器

为了减小电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)引起的DC/DC转换器输出电压噪声,消除负载变化引起的稳态误差,提出了一种基于改进的扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman filter,EKF)的电感电流观测器.首先,介绍了Boost型转换器的状态空间方程和扩展卡尔曼滤波器;之后提出负载估算算法,对EKF进行改进.利用改进EKF的输出电压、电感电流和占空比即可估算出实际负载值,从而实时更新改进EKF的参数,使电流观测器可以准确估计电感电流;最后对提出的电流观测器进行了仿真验证.仿真结果表明,在负载突变时,改进EKF可以对EMI引起的输出电压噪声进行有效滤波,同时准确估计电感电流,保证了DC/DC转换器输出电压的准确性.

电池保护芯片中低功耗技术的研究与实现

在分析了电池保护电路设计功耗要求的基础上,提出了三种降低功耗的方法,并推导了相应的公式:使用电路休眠技术,减少空闲时不必要的功耗;设计各电路模块的MOS管工作在亚阈值区,减小电路工作时的电流;基准电路中使用耗尽型nMOS管做恒流源,以简单的电路结构,得到与电源电压无关的基准电流和基准电压,从而达到降低功耗的目的。采用这些方法设计出来的CMOS工艺电池保护芯片,休眠时电流为59.2nA,工作时电流也不超过2.46uA,设计取得了成功。

基于RLS的Boost转换器在线多参数辨识研究

为了消除电感和电容变化对Boost转换器控制性能的影响,提出了一种基于递推最小二乘法(recursive least squares method,RLS)的在线多参数辨识算法.首先介绍了Boost转换器在线多参数辨识系统,通过小幅度改变参考电压为电感和电容在线辨识提供必要的瞬态过程.然后分析了一个开关周期内Boost转换器的电感电压和电容电流特性,推导出精确的电感和电容辨识模型,进一步应用RLS算法,得到电感和电容的最优估计方法.最后对提出的多参数辨识算法进行了仿真验证.仿真结果表明,该算法可以在瞬态条件下,精确快速地估计电感和电容值,且具有良好的鲁棒性.

Boost型DC／DC变换器的预测无差拍控制器设计

为了提升电流模式控制下Boost DC/DC变换器的动态响应速度,采用电流预测和无差拍控制理论对控制器进行设计。给出了线性外插的预测方法和无差拍控制策略,分析了电压环路小信号模型并设计了其控制器。采用前缘调制的预测无差拍峰值电流模式控制,电感电流可以在两个周期内调整到参考量:当占空比超过0.5时,变换器不存在次谐波振荡问题,省去了斜率补偿设计。实验结果表明,与经典电流模式控制器相比,预测无差拍控制器在控制电压上跳变2 V时,能够缩短约22.6%的调节时间;在控制电压下跳变2 V时,能够缩短约9.4%的调节时间。

基于高性能升压转换器的跨导误差放大器

在分析峰值电流模式升压转换器原理的基础上,设计了一种结构新颖,高精度高性能跨导误差放大器。提出了将具有动态电流自补偿功能的基准电压电路复用为误差放大器输入级的新方法,克服了传统外接基准电压时误差放大器易受干扰和基准电路设计复杂的缺点,提高了误差信号精度和放大器跨导。设计了输出电阻可调电路,简化了补偿网络设计。电路用0.6μmBiCMOS工艺实现,测试表明:3V输入电压,1.2MHz工作频率下,误差放大器开环电压增益57dB,跨导322μS,输入偏置电流小于50nA;升压转换器输出电压15V,输出纹波小于5mV。

基于后缘调制的数字预测V^2峰值控制研究

为了消除次谐波振荡,针对后缘调制的Buck型DC/DC转换器提出了一种数字预测V^2峰值控制算法。首先介绍了基于数字预测V^2控制的Buck转换器系统结构,并对其输出电压纹波进行分析,说明了用输出电容等效串联电阻(ESR)纹波表示输出电压纹波的可行性。然后提出了基于后缘调制的预测V^2峰值控制算法,该算法可在不增加设计复杂度的基础上,有效消除次谐波振荡。最后对提出的控制算法进行实验验证,结果表明,占空比大于0.5时系统输出电压仍然稳定,且与传统电压模式控制相比,系统对负载和输入电压扰动的瞬态响应性能得到了很大提升。

基于可变遗忘因子RLS的Boost转换器在线多参数辨识

针对Boost转换器控制性能受电感和电容变化影响的问题,提出了一种基于可变遗忘因子递推最小二乘法(recursive least squares method,RLS)的在线多参数辨识算法.考虑电感电流纹波,推导了精确的电感和电容辨识模型.在此基础上,研究了RLS算法中遗忘因子动态取值问题.通过在算法的误差信号中恢复系统噪声的方法,动态计算遗忘因子的取值,解决了传统RLS算法难以兼顾稳态精度和参数跟踪能力的问题.仿真结果表明,该算法可以在动态条件下,精确且快速地跟踪电感和电容值的变化,且具有良好的鲁棒性.

一种用于TPMS的低功耗低频通信接收机

设计了一种用于汽车胎压检测系统唤醒和数据传输的低频通信接收机。该低频接收机为数模混合系统,包括高灵敏度的前端解调器和用于数据处理的数字基带处理器,采用了低中频结构方案和ASK非相干解调方式。该接收机基于SMIC 0.18μm CMOS工艺和亚阈值特性进行设计。芯片的总面积为0.96mm2。工作电压范围为2～3.6V。在3.3V供电下,消耗电流为4.2μA。在125kHz下,该低频接收机的灵敏度达到0.4mV。

基于人工蜂群算法的Boost型DC/DC转换器的控制器设计

为简化Boost型DC/DC转换器的控制器设计,减小其传输函数的非线性带来的影响,将人工蜂群算法用于其控制器参数整定.通过调整目标函数、蜂群及迭代次数,算法可以较快地收敛于最优解.优化后的控制器对系统的非线性及负载的变化均表现出良好的适应性.仿真结果表明,相比经典方法的设计,基于人工蜂群算法设计的PID控制器能够有效消除由输入阶跃信号引起的超调,同时缩短80%的调节时间;当负载加重一倍时能够缩短50%的调节时间.