[發(fā)明專利]一種基于二階滑模算法的boost功率變換器控制方法

有效

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• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111262426B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李浩楠;丁世宏;馬莉
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: H02M3/00
• 分類號: H02M3/00;H02M3/156
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于新型二階滑模算法的boost功率變換器控制方法，基于boost功率變換器非線性、變結(jié)構(gòu)的特性，及傳統(tǒng)控制方法自身的局限性，提出了一種用于boost功率變換器的新型二階滑模控制方案。本發(fā)明方法不僅考慮了狀態(tài)空間中的位置誤差，而且考慮了誤差狀態(tài)的運動信息；其次，誤差狀態(tài)按照指數(shù)收斂于滑模面，加快了系統(tǒng)的收斂速度；同時控制方法的系數(shù)因式與狀態(tài)變量相關(guān)，可以對輸出進行良好的跟蹤。此控制方法可實現(xiàn)輸出電壓快速調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)滑模和傳統(tǒng)PID方法相比，本發(fā)明中的二階滑模控制方法具有響應(yīng)速度快、紋波小、抗干擾能力強、魯棒性好等優(yōu)點。同時還可以降低傳統(tǒng)一階滑模中存在的抖振問題，從而顯著提高了boost變換器控制器的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力電子變換器領(lǐng)域，具體利用新型二階滑模的控制方法來提高功率變換器的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，提升系統(tǒng)的魯棒性，進一步削弱滑模控制中存在的抖振問題。

背景技術(shù)

Boost功率變換器是一種DC-DC的開關(guān)電源，其拓撲結(jié)構(gòu)簡單、元器件少及較好的工作可靠性，在航天、能源、電動汽車和醫(yī)療等行業(yè)都有比較廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在傳統(tǒng)上基本上控制方式都是PI控制，一般通過兩種方式來實現(xiàn)，(1)通過電阻、電容、運算放大器和模擬控制芯片等器件組成的模擬PI控制器來實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)；(2)通過數(shù)字芯片(例如：STM32、DSP、FPGA等)和編寫PI程序代碼來實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)。但是由于boost功率變換器是一種典型的非線性系統(tǒng)，而PI是一種經(jīng)典的線性系統(tǒng)控制方法。所以當(dāng)用一種線性控制方法來控制一個非線性系統(tǒng)不是合適的，雖然可以使系統(tǒng)在有限時間內(nèi)達到穩(wěn)定，但是其動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能仍有一定的改善空間。針對這種非線性系統(tǒng)，本發(fā)明這里提出的二階滑模算法是一種不連續(xù)的控制方法，該方法不僅考慮了狀態(tài)空間中誤差狀態(tài)的位置而且還考慮了誤差運動的信息，使得誤差狀態(tài)按照指數(shù)收斂于滑模面。該方法針對這種非線性系統(tǒng)所設(shè)計，對改善其動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都有比較好的效果，增強了系統(tǒng)的魯棒性。

對于滑模算法，從理論上來說需要開關(guān)器件的開關(guān)速度達到無限的快，但是實際中由于器件等因素卻做不到。因此在滑模面切換的過程中會出現(xiàn)抖振現(xiàn)象。因此解決或者減小抖振問題，將成為本領(lǐng)域解決問題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是一種基于新型二階滑模算法的boost功率變換器控制方法。通過在一階滑模的輸入端加入積分器，將實際的控制信號及其導(dǎo)數(shù)，并將其導(dǎo)數(shù)連續(xù)積分從而解決或者減小一階滑模抖振問題。具體步驟如下：

步驟一：建立boost變換器控制系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型；

步驟二：分析新型二階滑模控制器需要滿足的條件；

步驟三：建立基于boost變換器的新型二階滑模控制器。

首先，需建立boost功率變換器控制器系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，具體如下：

其中，V_i是輸入電壓；V_o是輸出電壓；u是控制器輸出，僅有兩個狀態(tài)，即0和1，V_ref是參考電壓，也是目標(biāo)電壓；S是已知滑模變量，并且需要滑模變量S相對于控制器u的相對程度為2；

接著，基于滑模變量S相對于控制器u的相對程度為2，分析控制器需滿足的條件，具體設(shè)計為：

滑模面第一階段導(dǎo)數(shù)有：

滑模面的二階導(dǎo)數(shù)有：

其中，

其中，i_L是電感的電流；是滑模變量的二階導(dǎo)數(shù)；a(t,x)是一個未知變量且b(t,x)是一個未知變量且