CN112332654A - 一种dc-dc降压转换器的连续滑模控制方法及控制*** - Google Patents

一种dc-dc降压转换器的连续滑模控制方法及控制*** Download PDF

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CN112332654A CN202011174609.2A CN202011174609A CN112332654A CN 112332654 A CN112332654 A CN 112332654A CN 202011174609 A CN202011174609 A CN 202011174609A CN 112332654 A CN112332654 A CN 112332654A
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Abstract

本发明公开了一种DC‑DC降压转换器连续滑模控制方法，包括以下步骤：对DC‑DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure DDA0002748352400000011
对不匹配扰动估计
Figure DDA0002748352400000012
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure DDA0002748352400000013
对DC‑DC降压转换器输出的电压vs与给定的参考电压vr的差值、DC‑DC降压转换器输出的电流iL、不匹配扰动估计
Figure DDA0002748352400000014
以及匹配扰动估计
Figure DDA0002748352400000015
进行连续滑模控制，获得占空比μ；对占空比μ进行脉宽调制，将调制后的脉冲宽度调制电压用于驱动DC‑DC降压转换器；本发明的有益效果为能够使得***具有良好的动态性能以及稳态性能的同时有效的抑制不匹配时变干扰的控制方法。

Description

一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***
技术领域
本发明涉及DC-DC降压转换器的控制方法技术领域，尤其涉及一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***。
背景技术
随着现代电力电子技术发展以及工业领域对高效率且稳定电源的需求，使得DC-DC电源转换器已经广泛应用于直流电动机，计算机***，通信设备和汽车***等工业领域中。
传统的DC-DC电源转换器控制方法如PID控制，由于其结构简单被广泛应用。然而，实际的DC-DC电源转换器是一个非线性时变***。首先，***模型参数不确定和***建模误差不可避免，例如DC-DC电源转换器的输出电压性能易受到负载的影响，同时，在存在较大磁通密度的情况下，磁特性的电感量实际上是不确定的并且是非线性的。随着电力电子技术的发展，越来越多的先进控制方法被提出，它们从不同的方面对DC-DC电源转换器性能进行了改进。但是大多数控制算法并没有有效地处理***的时变干扰。
在文献(J.Wang,S.Li,J.Yang,B.Wu and Q.Li,"Extended state observer-based sliding mode control for PWM-based DC-DC buck power converter systemswith mismatched disturbances,"in IET Control Theory&Applications,vol.9,no.4,pp.579-586,26 2 2015,doi:10.1049/iet-cta.2014.0220.)中，作者选择基于ESO的滑模控制方法对DC-DC电源转换器***进行控制。然而由于其控制率是不连续的，这将会引起输出的波动。文献(J.Yang,B.Wu,S.Li and X.Yu,"Design and Qualitative RobustnessAnalysis of an DOBC Approach for DC-DC Buck Converters With Unmatched CircuitParameter Perturbations,"in IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers,vol.63,no.4,pp.551-560,April 2016,doi:10.1109/TCSI.2016.2529238.)则将DOB用于应对DC-DC电源转换器***的不匹配干扰，虽然该控制算法可以使***具有较好的动态和稳态性能，但是无法处理时变干扰。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***，通过对DC-DC转换器输出电压与电流进行广义比例积分后在进行连续滑模控制，能够有效的处理不匹配时的时变干扰。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明公开了一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，包括以下步骤：
A：将DC-DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及给定的参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000021
B：对不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000022
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000023
C：对DC-DC降压转换器输出的电压vs与给定的参考电压vr的差值、DC-DC降压转换器输出的电流iL、不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000024
以及匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000025
进行连续滑模控制，获得占空比μ；
D：对占空比μ进行脉宽调制后输出脉冲宽度调制电压，所述脉冲宽度调制电压用于驱动DC-DC降压转换器。
传统技术中的DC-DC电源转换器的控制方法是采用的ESO的滑模控制方法，但是采用这种方法会由于其控制率不连续，引起输出波动，若采用DOB的方法对DC-DC电源转换器进行不匹配干扰，即使该方法可以是***具有良好的动态和稳态性能，但是无法处理时变干扰；本发明提供了一种一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***，不仅能够使得***具有良好的动态性能以及稳态性能，而且能够有效的抑制不匹配时变干扰的控制方法。
优选地，所述步骤A中通过广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000026
的具体计算表达式包括：
Figure BDA0002748352380000027
其中，x1＝vs-vr，z0＝d1,
Figure BDA0002748352380000028
Figure BDA0002748352380000029
分别为z0,z1,…zm-1的估计，
Figure BDA00027483523800000210
为x1的估计；d1为不匹配时变干扰，
Figure BDA00027483523800000211
m为正整数；(lm,lm-1,lm-2,...,l0)为观测器系数，并满足使特征多项式p(s)＝s(m+1)+lmsm+…l1s+l0中的根位于复平面的左半平面。
优选地，所述步骤B中匹配扰动估计
Figure BDA00027483523800000212
的计算表达式为：
Figure BDA00027483523800000213
其中，R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，C为DC-DC降压转换器的电容。
优选地，所述步骤C中占空比μ的计算表达式为：
Figure BDA0002748352380000031
其中，
Figure BDA0002748352380000032
c1＞0，c2＞0和k＞0为控制器的系数，u为控制量，E为DC-DC降压转换器的电源电压，
Figure BDA0002748352380000033
为
Figure BDA0002748352380000034
的估计；s为连续滑模控制器的滑模面；R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，L为DC-DC降压转换器的电感，C为DC-DC降压转换器的电容。
优选地，所述滑模面s的计算表达式为：
Figure BDA0002748352380000035
其中，
Figure BDA0002748352380000036
d1为不匹配时变干扰，
Figure BDA0002748352380000037
Figure BDA0002748352380000038
为d1的估计，
Figure BDA0002748352380000039
为
Figure BDA00027483523800000310
的估计；R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，R为DC-DC降压转换器的电阻。
优选地，所述DC-DC降压转换器连续滑模控制方法用于用于匹配时变扰动与不匹配时变扰动中。
本发明还公开了一种DC-DC降压转换器连续滑模控制***，所述连续滑模控制***包括：
广义比例积分观测器模块，用于实现对DC-DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure BDA00027483523800000311
增益模块，用于实现对不匹配扰动估计
Figure BDA00027483523800000312
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure BDA00027483523800000313
连续滑模控制器模块，用于实现对DC-DC降压转换器输出的电压与给定电压的差值、DC-DC降压转换器输出的电流、不匹配扰动估计
Figure BDA00027483523800000314
以及匹配扰动估计
Figure BDA00027483523800000315
进行连续滑模控制，获得占空比μ；
脉宽调制模块，用于实现对占空比μ进行脉宽调制后输出脉冲宽度调制电压，所述脉冲宽度调制电压用于驱动DC-DC降压转换器。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、采用本发明提供的一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***，相比传统的DC-DC降压转换器***控制方法，该控制方法算法简单，结构容易实现，***可以达到良好的动态性能和稳态性能；
2、采用本发明提供的一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***，相比一般的滑模控制***，该控制***包括由观测器得到的基于时变干扰估计的连续滑模控制，可以有效提高***的抗干扰能力；
3、采用本发明提供的一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***，对于DC-DC降压转换器***易受各类未知时变干扰影响的特性，该控制方法可以有效抑制表现形式为常值、斜坡和抛物线等多种形式的时变干扰。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明连续滑模控制方法示意图
图2为本发明连续滑模控制***示意图
图3是DC-DC降压转换器的控制***原理图；
图4a是DC-DC降压转换器电路
图4b是开关打开时的电路图
图4c是开关闭环时的电路图
图5是两种控制方式下的***电压vs仿真结果图；
图6是两种控制方式下的***电流iL仿真结果图；
图7是两种控制方式下的***占空比μ仿真结果图；
图8是本发明控制方式下的观测器输出
Figure BDA0002748352380000041
结果图；
图9是本发明控制方式下的观测器输出
Figure BDA0002748352380000042
结果图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施列一
本实施列公开了一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，在介绍控制方法之前对DC-DC降压转换器的数学模型推导做一个说明，如图4a～图4c所示，其数学模型推导如下表示：
当开关打开时，电路原理图如附图2中b所示，其数学模型为：
Figure BDA0002748352380000051
当开关断开时，电路原理图如附图2中c所示，其数学模型为：
Figure BDA0002748352380000052
结合公式1和公式2可得其***模型为：
Figure BDA0002748352380000053
其中，vs为输出电容电压,iL为电感电流；C为***电容，L为***电感，R***负载电阻，E为DC-DC降压转换器的电源电压，μ为PWM脉宽调制的控制输入占空比。
通常，为了便于对DC-DC降压转换器***实施控制，让x1＝e＝vs-vr，
Figure BDA0002748352380000054
则模型可以转换成：
Figure BDA0002748352380000055
设定
Figure BDA0002748352380000056
则模型可以简化为：
Figure BDA0002748352380000057
其中R0为***电阻名义值，u为控制量，d1为不匹配干扰，d2为匹配干扰。
如图1所示，其DC-DC降压控制器的连续滑模控制方法包括以下步骤：
A：对DC-DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000058
所述步骤A中通过广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000059
的具体计算表达式包括：
Figure BDA0002748352380000061
其中，z0＝d1,
Figure BDA0002748352380000062
Figure BDA0002748352380000063
分别为z0,z1,…zm-1的估计，
Figure BDA0002748352380000064
为x1的估计；m为正整数；(lm,lm-1,lm-2,...,l0)为观测器系数，并满足使特征多项式p(s)＝s(m+1)+lmsm+…l1s+l0中的根位于复平面的左半平面。
B：对不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000065
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000066
其计算的表达式
Figure BDA0002748352380000067
其中，R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，C为DC-DC降压转换器的电容。
C：对DC-DC降压转换器输出的电压vs与给定的参考电压vr的差值、DC-DC降压转换器输出的电流iL、不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000068
以及匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000069
进行连续滑模控制，获得占空比μ；
其中，占空比μ的计算表达式为：
Figure BDA00027483523800000610
其中，
Figure BDA00027483523800000611
c1＞0，c2＞0和k＞0为控制器的系数，u为控制量，E为DC-DC降压转换器的电源电压，
Figure BDA00027483523800000612
为
Figure BDA00027483523800000613
的估计；s为连续滑模控制器的滑模面；R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，L为DC-DC降压转换器的电感，C为DC-DC降压转换器的电容；
所述滑模面s的计算表达式为：
Figure BDA00027483523800000614
其中，
Figure BDA00027483523800000615
d1为不匹配时变干扰，
Figure BDA00027483523800000616
Figure BDA00027483523800000617
为d1的估计，
Figure BDA00027483523800000618
为
Figure BDA00027483523800000619
的估计；R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，R为DC-DC降压转换器的电阻D：对占空比μ进行脉宽调制后输出脉冲宽度调制电压，所述脉冲宽度调制电压用于驱动DC-DC降压转换器。
且DC-DC降压转换器连续滑模控制方法用于匹配时变扰动与不匹配时变扰动中。
实施列二
本实施列基于实施列一的基础上，公开了一种DC-DC降压转换器连续滑模控制***，如图2-3所示，所述连续滑模控制***包括：
广义比例积分观测器模块，用于将DC-DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000071
增益模块，用于实现对不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000072
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000073
连续滑模控制器模块，用于实现对DC-DC降压转换器输出的电压与给定电压的差值、DC-DC降压转换器输出的电流、不匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000074
以及匹配扰动估计
Figure BDA0002748352380000075
进行连续滑模控制，获得占空比μ；
脉宽调制模块，用于实现对占空比μ进行脉宽调制后输出脉冲宽度调制电压，所述脉冲宽度调制电压用于驱动DC-DC降压转换器。
如附图5所示，将本发明(一种基于不匹配时变干扰的DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法)，与传统的滑模控制方法进行对比，可知本发明的控制方法使DC-DC降压转换器***在启动后实际电压vs迅速达到稳定值，调节时间短；且在(t＝7s)负载突变后，该***迅速恢复，调节时间极短，几乎不受外部负载干扰，而传统的滑模控制方法则在负载突变后无法有效调节，***的实际电压不再能达到预期要求。
如附图6所示，将传统的滑模控制方式下的***实际电流与本发明推荐控制方式下的***实际电流进行对比，可知传统的滑模控制方式下在负载突变后电流不能随之调节；而本发明推荐控制方式下的***实际电流则能够迅速调节***的电流值。
如附图7所示，本发明推荐控制方式下的***占空比μ可以在负载突变后依然能够迅速调节过来，而传统滑模控制方法则在负载突变后不能有效的调节过来，致使***的输出电压无法达到预期要求；
附图8和附图9则为本发明推荐控制方式下GPIO的输出结果图，附图6为观测器输出的x1的估计图，由图可见，x1的估计在很短的时间即可趋向零并保持稳定，由此可见，本发明推荐控制方式下的观测器可以有效地跟踪***误差；附图7则为观测器输出的干扰d1的估计，在(t＝7s)时，当负载电阻突然减小时，干扰d1的估计发生突变，由此可知，本发明推荐控制方式可以显著地抑制不匹配时变干扰。
综上所述，采用本发明提供的一种DC-DC降压转换器的连续滑模控制方法及控制***，通过对DC-DC降压转换器输出的电压以及电流在广义比例积分观测器后经过连续控制滑模，控制方法算法简单，使得***达到良好的动态性能以及稳态性能；且包括的观测器得到的基于时变干扰估计的连续滑模控制，有效的提高了***的抗干扰的能力。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：将DC-DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及给定的参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure FDA0002748352370000011
B：对不匹配扰动估计
Figure FDA0002748352370000012
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure FDA0002748352370000013
C：对DC-DC降压转换器输出的电压vs与给定的参考电压vr的差值、DC-DC降压转换器输出的电流iL、不匹配扰动估计
Figure FDA0002748352370000014
以及匹配扰动估计
Figure FDA0002748352370000015
进行连续滑模控制，获得占空比μ；
D：对占空比μ进行脉宽调制后输出脉冲宽度调制电压，所述脉冲宽度调制电压用于驱动DC-DC降压转换器。
2.根据权利要求1所述的一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，其特征在于，所述步骤A中通过广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure FDA0002748352370000016
的具体计算表达式包括：
Figure FDA0002748352370000017
其中，x1＝vs-vr，
Figure FDA0002748352370000018
分别为z0,z1,…zm-1的估计，
Figure FDA0002748352370000019
为x1的估计；d1为不匹配时变干扰，
Figure FDA00027483523700000110
m为正整数；(lm,lm-1,lm-2,...,l0)为观测器系数，并满足使特征多项式p(s)＝s(m+1)+lmsm+…l1s+l0中的根位于复平面的左半平面。
3.根据权利要求1所述的一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，其特征在于，所述步骤B中匹配扰动估计
Figure FDA00027483523700000111
的计算表达式为：
Figure FDA00027483523700000112
其中，R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，C为DC-DC降压转换器的电容。
4.根据权利要求1所述的一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，其特征在于，所述步骤C中占空比μ的计算表达式为：
Figure FDA0002748352370000021
其中，
Figure FDA0002748352370000022
c1＞0，c2＞0和k＞0为控制器的系数，u为控制量，E为DC-DC降压转换器的电源电压，
Figure FDA0002748352370000023
为
Figure FDA0002748352370000024
的估计；s为连续滑模控制器的滑模面；R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，L为DC-DC降压转换器的电感，C为DC-DC降压转换器的电容。
5.根据权利要求4所述的一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，其特征在于，所述滑模面s的计算表达式为：
Figure FDA0002748352370000025
其中，
Figure FDA0002748352370000026
d1为不匹配时变干扰，
Figure FDA0002748352370000027
Figure FDA0002748352370000028
为d1的估计，
Figure FDA0002748352370000029
为
Figure FDA00027483523700000210
的估计；R0为DC-DC降压转换器的电阻名义值，R为DC-DC降压转换器的电阻。
6.根据权利要求4所述的一种DC-DC降压转换器连续滑模控制方法，其特征在于：所述DC-DC降压转换器连续滑模控制方法用于匹配时变扰动与不匹配时变扰动中。
7.一种DC-DC降压转换器连续滑模控制***，其特征在于：所述连续滑模控制***包括：
广义比例积分观测器模块，用于将DC-DC降压转换器输出的电压vs、电流iL以及参考电压vr输入广义比例积分观测器进行扰动观测，获得不匹配扰动估计
Figure FDA00027483523700000211
增益模块，用于实现对不匹配扰动估计
Figure FDA00027483523700000212
进行增益后得到匹配扰动估计
Figure FDA00027483523700000213
连续滑模控制器模块，用于实现对DC-DC降压转换器输出的电压与给定电压的差值、DC-DC降压转换器输出的电流、不匹配扰动估计
Figure FDA00027483523700000214
以及匹配扰动估计
Figure FDA00027483523700000215
进行连续滑模控制，获得占空比μ；
脉宽调制模块，用于实现对占空比μ进行脉宽调制后输出脉冲宽度调制电压，所述脉冲宽度调制电压用于驱动DC-DC降压转换器。
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