[發(fā)明專利]基于準最優(yōu)滑模控制的Buck變換器控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710360508.6
• 申請日: 2017-05-21
• 公開（公告）號: CN107017768B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐春森;王智慧;孫躍;蘇玉剛;戴欣;葉兆虹;朱婉婷;顧振博;譚若兮
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156
• 代理公司: 成都時譽知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51250
• 代理人: 陳千

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于DC/DC變換器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于準最優(yōu)滑?？刂频腂uck變換器控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的針對改善開關(guān)DC/DC變換器動態(tài)響應(yīng)及輸出特性的控制方法取得了巨大的進步。傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(PWM)法通過檢測輸出變量或其他系統(tǒng)參量而調(diào)節(jié)周期占空比值實現(xiàn)變換器的控制，這種方法通常基于小信號模型或者頻域分析法而實現(xiàn)控制器設(shè)計。PWM控制方法的優(yōu)點在于變換器工作在固定開關(guān)頻率，系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)小信號平均特性的控制，但不足在于其瞬態(tài)特性表現(xiàn)為疊加在穩(wěn)態(tài)平衡點上的參量波動，很難直接體現(xiàn)出對瞬態(tài)特性的控制。而且對于系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移難以表現(xiàn)出良好的快速響應(yīng)特性。因此對于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性的控制，PWM法并不合適。

目前改善DC/DC變換器的動態(tài)特性的控制方法主要是基于大信號模型的分析方法，主要有最優(yōu)時間控制、狀態(tài)軌跡控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等?；？刂品椒ㄔ贒C/DC變換器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性優(yōu)化中被廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的滑?？刂品?一階滑模控制法)通過定義開關(guān)切換函數(shù)s＝0而將狀態(tài)平面分為開通和關(guān)斷區(qū)，判斷狀態(tài)點在狀態(tài)平面的位置而實現(xiàn)滑?？刂疲到y(tǒng)狀態(tài)點運動分為趨向滑模面的趨近運動和狀態(tài)點在滑模面上向穩(wěn)態(tài)點趨近的滑動模態(tài)運動。而高階滑?？刂?，其軌跡直接在滑模面上并做趨向平衡點的滑模運動。

將二階滑?？刂品椒☉?yīng)用到同步Buck變換器中，設(shè)計了簡單的數(shù)字狀態(tài)機構(gòu)，對于系統(tǒng)啟動過程和負載變換的表現(xiàn)出快速響應(yīng)特性。對于DC/DC變換器系統(tǒng)的快速特性關(guān)鍵在于滑模面的設(shè)計，對于一階或者高階滑模都是如此。目前的滑模控制方法雖能快速響應(yīng)但仍有待改進。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上問題的不足，本發(fā)明基于準最優(yōu)滑?？刂频腂uck變換器控制系統(tǒng)及方法，將最優(yōu)時間控制分析引入到滑模面的設(shè)計中，通過準最優(yōu)滑?？刂埔詫崿F(xiàn)Buck變換器的快速響應(yīng)。

一種基于準最優(yōu)滑模控制的Buck變換器控制系統(tǒng)，Buck變換器中的開關(guān)元件由滑?？刂破鬟M行控制，所述滑模控制器設(shè)置有電源輸入端、電感電流采集端、輸出電壓采集端、輸出電流采集端、穩(wěn)態(tài)參考電壓設(shè)定端以及開關(guān)驅(qū)動信號輸出端；

該系統(tǒng)首先根據(jù)所述電源輸入端獲得的輸入電壓V_in以及Buck變換器的電路元件參數(shù)建立狀態(tài)空間模型，從而得到穩(wěn)態(tài)參考點的穩(wěn)態(tài)電壓值；

所述滑?？刂破鞲鶕?jù)所述電感電流采集端獲得的電感電流i_L、輸出電壓采集端獲得的輸出電壓u_o、輸出電流采集端獲得的輸出電流i_o、穩(wěn)態(tài)參考電壓設(shè)定端設(shè)定的穩(wěn)態(tài)電壓u_ref，并通過預(yù)設(shè)的準最優(yōu)滑模切換函數(shù)確定開關(guān)驅(qū)動信號，并控制Buck變換器中開關(guān)元件的通斷。

優(yōu)選地，在建立狀態(tài)空間模型時，將Buck變換器的工作狀態(tài)分為開關(guān)管開通模態(tài)、電感電流非零的關(guān)斷模態(tài)以及電感電流為零的關(guān)斷模態(tài)三種狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)空間模型得到最優(yōu)時間開關(guān)狀態(tài)切換點x_i和穩(wěn)態(tài)切換點x^*_off-on和x*_on-off，其中x_i為準最優(yōu)時間的開關(guān)切換點，x^*_off-on為穩(wěn)態(tài)時開關(guān)由關(guān)斷到開通狀態(tài)的開關(guān)切換點，x*_on-off為穩(wěn)態(tài)時開關(guān)由開通到關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)切換點。

優(yōu)選地，所述狀態(tài)空間模型的具體建立如下：

選定Buck變換器中開關(guān)管為MOSFET管，設(shè)其靜態(tài)漏源極通態(tài)阻抗為R_ON，令x＝[i_Lu_O]^T和u＝[E_dc U_D]^T分別為系統(tǒng)的狀態(tài)向量和輸入向量，系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型表示為：

式中：