基于人工蜂群算法的多路半橋均衡電路＊

李一凡，夏 鯤，袁 印

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

發(fā)光二極管（Light emitting diode，LED）具有環(huán)保、節(jié)能、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在屏幕顯示領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。P2 全彩LED 單元板更是出現(xiàn)在生活中的方方面面，由于LED 的動(dòng)態(tài)電阻很小，當(dāng)LED 的電壓有很小的波動(dòng)時(shí)，其電流會(huì)有很大變化。

單塊LED 板不能滿足多場(chǎng)合的需求，通常將多塊LED 板通過(guò)串并聯(lián)方式接在一起滿足實(shí)際需求，由于負(fù)載變化很快，不均壓的工況是隨機(jī)產(chǎn)生的，簡(jiǎn)單地將它們串并聯(lián)在一起會(huì)產(chǎn)生電路電壓不均衡的問(wèn)題。目前的均衡電路適用于規(guī)律性不均衡的傳統(tǒng)電池均壓場(chǎng)合，但無(wú)法滿足LED 應(yīng)用場(chǎng)合下快速變化的均壓需求，因此設(shè)計(jì)多路均衡輸出系統(tǒng)，保證LED能夠在負(fù)載變換最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顩r下系統(tǒng)效率達(dá)到最高很有必要。

目前，多路輸出系統(tǒng)大多采用反激式結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[5]中反激變換只能精確控制其中某個(gè)繞組，不能對(duì)主繞組以外的繞組電壓精確控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)受到電路寄生參數(shù)的影響。多路繞組的存在，使得系統(tǒng)的輸出調(diào)整頻率差，無(wú)反饋的一路輸出精度低，影響系統(tǒng)的正常使用。文獻(xiàn)[6]采用類(lèi)似半橋結(jié)構(gòu)輸出的系統(tǒng)控制方案，每時(shí)刻只有一路開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，其他路處在二極管續(xù)流模式下，在負(fù)載快速變化的場(chǎng)合精度控制不準(zhǔn)確，均衡效果差。文獻(xiàn)[7]提出PWM 開(kāi)關(guān)電源型輸出和芯片閉環(huán)控制解決方案，可有效地解決因負(fù)載環(huán)境快速變化而產(chǎn)生的電壓不均衡的問(wèn)題，但存在器件成本高昂，優(yōu)化結(jié)構(gòu)不唯一，采樣目標(biāo)路數(shù)較少的問(wèn)題。對(duì)于多目標(biāo)群體優(yōu)化的方案，文獻(xiàn)[8]對(duì)比不同進(jìn)化算法，發(fā)現(xiàn)人工蜂群算法能在不受搜索空間限制且不需其他輔助信息的情況下，具有參數(shù)設(shè)置少、收斂速度快且精度高的優(yōu)點(diǎn)，更適用于解決多路電壓均衡方案。

綜合上述問(wèn)題，本文提出一種基于人工蜂群算法的多路半橋均衡電路。①該多路半橋拓?fù)涫褂酶俚拈_(kāi)關(guān)管和其他電子元件，降低成本。②采用新的控制方法，即正常情況下同一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)制管關(guān)斷，且不存在二極管續(xù)流，可以通過(guò)控PWM 占空比來(lái)改變開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)短，從而，精確控制各個(gè)負(fù)載均衡支路的電壓，滿足隨時(shí)變化的負(fù)載環(huán)境需求，使均衡更有目的性。③增加閉環(huán)方案，采用人工蜂群算法，采樣多路輸出電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)不同的負(fù)載環(huán)境，計(jì)算最優(yōu)多路占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)多路輸出的電壓以保持均衡，在不同功率工況下效率最高。最后，搭建了一臺(tái)七路半橋均衡輸出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 改進(jìn)多路半橋均衡電路

1.1 半橋電路結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，多路半橋均衡電路拓?fù)溆?1 個(gè)電感～L和電容～C、個(gè)開(kāi)關(guān)、+1個(gè)連接點(diǎn)組成，也稱為級(jí)多路半橋。開(kāi)關(guān)管漏極接總電源正極，源極接開(kāi)關(guān)管漏極，開(kāi)關(guān)管漏極接源極，源極接漏極，以此類(lèi)推，開(kāi)關(guān)管漏極接源極，源極接開(kāi)關(guān)管總電源負(fù)極。通過(guò)控制各個(gè)MOSFET 關(guān)斷時(shí)間比例改變輸出電壓比，精準(zhǔn)均衡電壓。

圖1 n級(jí)多路半橋均衡電路拓?fù)?/p>

當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，此路輸出被短路U=0，其他路正常輸出，當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，第路正常輸出,輸出與總電源電壓關(guān)系滿足式⑴：

其中，為第路輸出電壓，為第路開(kāi)關(guān)管占空比，為總電源電壓。

1.2 七路半橋建模及工作分析

將脈沖觸發(fā)器、LED 負(fù)載、直流電源與多路半橋拓?fù)湎嘟Y(jié)合，以七路半橋電路拓?fù)錇榛A(chǔ)研究。將每路開(kāi)關(guān)管關(guān)斷占空比設(shè)置為七分之一，即可保證各路輸出相等。

以圖2 的脈沖波形分析，此時(shí)=======/7，每個(gè)開(kāi)關(guān)管每一周期導(dǎo)通七分之六周期，關(guān)斷七分之一周期，且七個(gè)開(kāi)關(guān)管不同時(shí)關(guān)斷。

圖2 七路脈沖觸發(fā)期占空比

2 人工蜂群算法的閉環(huán)控制電壓策略

多路半橋拓?fù)湓谪?fù)載變化快速且極不穩(wěn)定的LED 板上會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的電壓波動(dòng)，系統(tǒng)整體效率降低，因此需要采用閉環(huán)算法控制策略將七路電壓作為優(yōu)化目標(biāo)。

人工蜂群算法是一種群體智能尋優(yōu)算法，模擬了蜜蜂的行動(dòng)模式，應(yīng)用在函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題中。本文控制策略中計(jì)算占空比控制生成的七路電壓值與目標(biāo)電壓值差值的標(biāo)準(zhǔn)差，將最小差值的標(biāo)準(zhǔn)差作為目標(biāo)函數(shù)。編碼時(shí)人工蜂群算法中每只蜜蜂有匹配位置，即與七路變量電壓對(duì)應(yīng)，蜜蜂位置為一個(gè)七維數(shù)組，在占空比為[0,1]的范圍內(nèi)活動(dòng)迭代。系統(tǒng)采用人工蜂群算法采樣七路電壓值，通過(guò)改變脈沖發(fā)生器輸出的七路占空比控制七路電壓均衡，在各個(gè)LED 板工作狀況不同的情況下，保證系統(tǒng)的高效性。

人工蜂群算法定義的蜂群劃分為引領(lǐng)蜂、跟隨蜂和偵察蜂三種蜂落，其中引領(lǐng)蜂和跟隨蜂各占蜂群的一半，數(shù)量保持與蜜源數(shù)量相同，并且每個(gè)蜜源同一時(shí)間內(nèi)有且僅有一只引領(lǐng)蜂采蜜。初始化種群后，計(jì)算對(duì)應(yīng)的函數(shù)值并尋找最優(yōu)的蜜源，得到蜜源位置更新停滯的次數(shù)后便進(jìn)入引領(lǐng)蜂階段。設(shè)求解問(wèn)題的維度值為，即占空比的輸入，該七路半橋系統(tǒng)中，維度值為6，在次迭代時(shí)蜜源的位置：

其中，表示蜂群系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的迭代次數(shù)；和代表各自搜索空間的上下限，=1,2…。蜜源的初始位置依照式⑶隨機(jī)在搜索空間中產(chǎn)生：

在搜索開(kāi)始時(shí)，引領(lǐng)蜂階段會(huì)在蜜源的周?chē)鶕?jù)式⑷搜索產(chǎn)生一個(gè)新的蜜源：

其中，d為[1,D]中的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，表示引領(lǐng)蜂隨機(jī)地選擇一維占空比值搜索；∈{1,2,…,NP}，其表示在NP 個(gè)蜜源中隨機(jī)找到一個(gè)位置不等于的蜜源，是[-1,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)，決定擾動(dòng)幅度。當(dāng)新蜜源電壓差值的適應(yīng)度優(yōu)于變量時(shí)，便采取貪婪選擇的方法去選擇代替。在所有引領(lǐng)蜂的階段結(jié)束后，便飛回信息交流區(qū)從而共享蜜源信息。依據(jù)蜜源邊界取值范圍[0,1]從而得到加速系數(shù)，更新雇傭蜂位置，存儲(chǔ)最佳蜜源，若系統(tǒng)沒(méi)有更新，則記錄系統(tǒng)的停滯次數(shù)從而更新累積并重新選擇概率，按式⑸計(jì)算概率跟隨。

隨后跟隨蜂便采用輪盤(pán)賭的方式去選擇引領(lǐng)蜂，即[0,1]產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)，如果其大于隨機(jī)數(shù)，則跟隨蜂會(huì)在蜜源的周?chē)a(chǎn)生新蜜源，且采用和引領(lǐng)蜂相同的貪婪選擇方法確定蜜源。如果沒(méi)有找到更好蜜源，系統(tǒng)主動(dòng)結(jié)束，轉(zhuǎn)化成偵察蜂，搜索新的食源。

蜂群尋優(yōu)系統(tǒng)保留最好蜜源數(shù)據(jù)，判斷新的蜜源、跟隨蜂、引領(lǐng)蜂的位置是否達(dá)到最大的迭代，如果獲取了最佳的各路占空比值，則分割閾值，否則重新獲取七路電壓值，直到重新達(dá)到滿足最大和最小電壓差的評(píng)判值，圖3為閉環(huán)控制系統(tǒng)流程。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖

當(dāng)各路LED 工況相同時(shí)，每路占空比都為1/7。當(dāng)工況不同時(shí)，七路占空比隨人工蜂群算法采樣的電壓值尋找最優(yōu)蜜源進(jìn)而開(kāi)始迭代，最終各路電壓保持一致。

圖4 所示，在工況不同的情況下七路的占空比不相同，通過(guò)改變占空比的不同而控制電壓滿足工況效率需求，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的搭建。

圖4 閉環(huán)控制下七路脈沖觸發(fā)期占空比

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真及參數(shù)設(shè)置

在MATLAB/Simulink 環(huán)境下對(duì)文中提出的基于多路半橋均衡電路的LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)仿真建模如表1。采樣七路電壓值至脈沖發(fā)生器，將引領(lǐng)蜂群的大小設(shè)置為50，跟隨蜂群的大小設(shè)置為50，偵查蜂群的大小設(shè)置為5，維度設(shè)置為6。

表1 多路半橋均衡電路仿真參數(shù)

圖5 為系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后的值，波形電壓圍繞設(shè)定的七路目標(biāo)適應(yīng)度的電壓差波動(dòng)。

圖5 七路半橋驅(qū)動(dòng)器電壓仿真波形

圖6 為蜂群算法迭代次數(shù)，迭代至115 次后電壓趨于穩(wěn)定。每當(dāng)工況改變，人工蜂群算法會(huì)重新迭代找到最優(yōu)PWM 占空比從而保持電壓均衡。通過(guò)仿真不同工況模擬該拓?fù)湓陂]環(huán)和開(kāi)環(huán)下的高效性。PWM輸出邏輯：

圖6 人工蜂群迭代波形

其中，通道數(shù)量=7，為七路占空比，-的值為1/(7)，與此同時(shí)，判斷第次時(shí)的高低電平采用式⑺比較：

3.2 實(shí)驗(yàn)搭建驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行能力，設(shè)計(jì)了圖7 所示的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主電路參數(shù)如下：直流電源=35V，電解電容=470F，磁環(huán)電感=3mH，MOSFET 選用英飛凌IRF540NPBF；控制電路采用dSPACE 半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)；為避免電磁干擾，dSPACE輸出控制信號(hào)經(jīng)光纖傳輸給驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路控制MOSFET 開(kāi)關(guān)管。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易搭建。

圖7 七路半橋驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)在最?lèi)毫庸ぷ鳡顩r下開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的均衡電壓狀況。最?lèi)毫庸ぷ鳡顩r即當(dāng)電路回路路徑經(jīng)過(guò)MOSFET 最多時(shí)，七路MOSFET 同時(shí)構(gòu)成回路，第二、四、六路全彩LED 顯示屏工作出現(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng)狀況。

圖8為在最?lèi)毫庸ぷ鳡顩r下七路半橋在開(kāi)環(huán)下波動(dòng)的最高和最低電壓及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)MOSFET 的PWM 波形。=5.2V，=4.4V，該拓?fù)湓陂_(kāi)環(huán)下最?lèi)毫庸r中的電壓會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖8 開(kāi)環(huán)中惡劣工況下的電壓及驅(qū)動(dòng)波形

圖9為最?lèi)毫庸ぷ鳡顩r下七路半橋在人工蜂群控制下的閉環(huán)波動(dòng)的最高和最低電壓及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)MOSFET 的PWM 波形。=5.0V，=5.0V。在閉環(huán)控制下七路電壓在占空比改變控制下都均衡在5V。

圖9 閉環(huán)中惡劣工況下的電壓及驅(qū)動(dòng)波形

根據(jù)以上波形數(shù)據(jù)可知，采用人工蜂群算法控制的閉環(huán)拓?fù)淠軌虮３窒到y(tǒng)電壓的穩(wěn)定，減少了由于電壓波動(dòng)過(guò)大所導(dǎo)致的LED負(fù)載不必要的電路損耗。

3.3 功率的高效性

驗(yàn)證時(shí)選取系統(tǒng)工作狀況最?lèi)毫?、工作狀況最優(yōu)即七路LED 顯示相同的環(huán)境和常規(guī)工況即七路LED在亮度變換較小的環(huán)境研究對(duì)比，結(jié)果圖10所示。

圖10 不同工況下的效率對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的拓?fù)湓诔Ｒ?guī)工況下能夠?qū)崿F(xiàn)高效運(yùn)行，且在負(fù)載環(huán)境多變的惡劣工況下閉環(huán)控制仍然可以保持系統(tǒng)的高效性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于多路半橋均衡電路的LED驅(qū)動(dòng)器。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器相比，該驅(qū)動(dòng)具有以下特征。

⑴改進(jìn)了常見(jiàn)多路半橋拓?fù)?，使得拓?fù)浜?jiǎn)單、直觀，開(kāi)關(guān)管及其他元件數(shù)量少，保持MOSFET 在系統(tǒng)中狀態(tài)以導(dǎo)通為主，降低成本，減少系統(tǒng)損耗，極大減少了占用空間。

⑵可任意指定輸出路數(shù)量，多路之間不會(huì)互相干擾，增強(qiáng)了該系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

⑶人工蜂群算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)保證在最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顩r下精確控制每路電壓，該拓?fù)潆娐吩谔岣呦到y(tǒng)效率上具有優(yōu)勢(shì)。