[發明專利]一種基于非線性擴張狀態觀測器和PD控制技術的直流升壓變換器系統控制方法

在審

• 申請號: 202010106640.6
• 申請日: 2020-02-21
• 公開（公告）號: CN111431403A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 王軍曉;戎佳藝;楊海;俞立
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156;H02M3/157;H02M1/44
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種基于非線性擴張狀態觀測器和PD控制技術的直流升壓變換器系統控制方法，適用于在直流升壓變換器系統的高精度控制，該方法首先對輸入電壓變化和電阻負載擾動分別設計兩個非線性擴張狀態觀測器來觀測擾動，在此基礎上設計PD控制器從而得到復合控制器來控制直流升壓變換器系統，使輸出電壓在有輸入電壓變化和負載電阻擾動情況下能夠快速準確地跟蹤參考電壓。本發明實現簡單，參數調節較少，不但可以提高直流升壓變換器系統快速跟蹤參考信號的目的，而且可以有效地減小電力電子直流升壓變換器穩態波動，滿足高性能電力電子升壓變換器系統的應用。

技術領域

本發明涉及電力電子直流升壓變換器系統，尤其涉及一種基于非線性擴張狀態觀測器和PD控制技術的直流升壓變換器系統控制方法。

背景技術

現代科學技術的飛速發展，特別是電力電子技術、微電子技術、數字控制技術和現代控制理論的巨大進步，為電力電子直流開關電源的發展創造了有利條件，特別是在機器人、不間斷電源系統、電動汽車和太陽能光伏系統等對直流開關電源控制性能要求越來越高的領域，直流變換器系統受到越來越多的關注。

在過去的幾十年里，直流-直流轉換已經成為一種普遍的技術，它被廣泛應用于各種場合，包括直流電源和直流電機驅動等。20世紀80年代以來，隨著大功率開關器件的迅速發展，升壓變換器已廣泛應用于新能源發電、便攜式電子產品等工業控制領域。由于升壓變換器應用廣泛，市場廣闊，其性能越來越受到人們的重視，對其控制的穩定性和精度的要求也越來越嚴格。

目前，直流升壓電力電子變換器系統多采用雙閉環的控制結構，即內環為電流控制環，外環為電壓控制環。控制器多采用PI調節器。其中電流環的作用是提高系統的快速性，及時抑制電流內部的干擾；電壓環的作用是提高系統抗負載擾動的能力，抑制電壓穩態波動。

在實際直流供電設備中，由于直流變換器系統的工作場合大多要求輸出電壓精度相當高，而且要求能夠快速適應各種不同的工況，但是由于目前采用的PI控制器當系統工作在不同的工況下，例如在有擾動的情況下主要是利用積分來消除擾動對輸出電壓帶來的影響，是一種被動且速度較慢的控制方式，特別是在系統遇到快速時變或者周期性的擾動時很難快速地跟蹤給定電壓，這些擾動主要包括負載波動，電壓輸入變化等。如果控制器不對這些擾動快速主動進行處理，則閉環系統很難達到快速且高精度電壓輸出性能。因此在直流升壓電力電子變換器系統存在擾動的情況下，系統能夠及時地對擾動進行處理，就能夠進一步提高電力電子變換器系統的跟蹤速度和精度，滿足電力電子系統在高精度電壓輸出工作領域的應用。

為了能夠及時對系統擾動進行處理，提高電力電子直流升壓變換器系統的跟蹤精度，國內外學者進行了大量的研究。文獻(Linares-Flores J.,Méndez A.H.,García-Rodríguez C.,Sira-Ramíreze H.Robust nonlinear adaptive control of a“boost”converter via algebraic parameter identification[J].IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2013,61(8):4105-4114.)設計了一種魯棒非線性自適應控制器，用于不確定時變參數的直流升壓功率變換器的非最小相位輸出電壓軌跡跟蹤策略。廣義比例積分間接控制利用系統的平坦度特性，通過快速的在線代數參數辨識過程，對反饋控制器和輸出參考軌跡進行快速的自適應。周期性地觸發代數參數識別過程所需的更新，以應對未知模型參數的隨時間變化。文獻(Wai R J,Shih L C.Design of VoltageTracking Control for DC–DC Boost Converter Via Total Sliding-Mode Technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(6):2502-2511.)針對傳統直流升壓變換器的電壓跟蹤控制，設計了一種全滑模控制方案。該控制策略是在李亞普諾夫穩定性定理的意義下推導出來的，在系統出現不確定性的情況下，能夠保證系統的穩定跟蹤性能。