CN101141094B - 限流滑模控制降压直流-直流变换器的控制方法及其控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种限流滑模控制降压直流-直流变换器的方法，在降压直流-直流变换器主电路上接入一带有限流控制功能的滑模控制电路；降压直流-直流变换器主电路主要工作于滑模控制状态，当电流大于限定值时，由滑模控制电路进行限流，当电流小于限定值时，降压直流-直流变换器自动回到原滑模控制状态，以实现正常工作状态和限流状态的自动切换。本发明具有快速的动态响应速度和宽的稳定范围，对非线性负载具有良好适应性，能够满足高性能要求的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及降压直流-直流变换器，具体来说是指一种限流滑模控制降压直流-直流变换器控制方法及其控制器。
背景技术
现有的降压变换器，其通常采用线性化控制技术，在基本假设扰动信号频率比开关频率低得多的前提下，利用状态空间平均法，列出开关变换器的分段线性状态方程，然后经过平均和摄动处理，用线性状态方程来描述电路。在这种控制系统中，小信号线性化模型是在固定的参数下的线性化处理，对系统参数的变化比较敏感，当负载大范围变化，特别是带非线性负载时，开关变换器有动态响应速度慢，输出波形有畸变等缺点。当今，直流-直流变换器的应用范围越来越广，其性能要求不断提高，特别是要求变换器具有高的稳态精度的同时具有快速的动态响应速度，传统的控制策略难以满足要求，各种采用先进控制策略的直流-直流变换器成为研究的热点。滑模变结构控制是一种非线性控制理论，对电力电子开关变换器具有天然的适用性，采用滑模变结构控制的变换器具有稳态范围宽、动态响应快、鲁棒性高、控制实现简单等优点，在开关变换器中具有广泛的应用前景，滞环滑模控制以其结构简单，性能优越的特点得到广泛的研究，但单纯的滞环滑模控制直流-直流变换器为变频工作方式，当系统启动时，变换器的状态变量变化很大，很容易出现启动电流过大的情况，损坏器件。滞环滑模控制方法，其开关状态主要由滑模面决定，启动或系统状态变化较大时，状态变量会经过较长的时间到达滑模面，以致出现电流过大的情况，如图3所示。在产品应用中是有必要添加限流措施的。
发明内容
针对系统启动时，滞环滑模控制直流-直流变换器内启动电流过大，容易造成器件损坏的问题，本发明提供了一种带有限流功能的滞环滑模控制降压直流-直流变换器的控制方法，在降压直流-直流变换器主电路上接入一带有限流控制功能的滑模控制电路；降压直流-直流变换器主电路主要工作于滑模控制状态，当电流大于限定值时，由滑模控制电路进行限流，当电流小于限定值时，降压直流-直流变换器自动回到原滑模控制状态，以实现正常工作状态和限流状态的自动切换，如图4所示。
本发明控制方法是一种通过变换滑模面的办法来限制启动电流的控制策略，如图5所示，滞环滑模控制中，有其固定的滑模面，变换器稳态性能、动态响应和开关状态均由滑模面决定，系统启动时，变换器状态变量要经过较长时间才能到达滑模面，造成启动电流过大的现象，可以调整滑模面系数(k1/k2)，以降低启动电流，较低的滑模面系数又会降低系统的动态响应速度，一般的滞环滑模控制系统，其滑模面系数不能太低；本发明添加限流电流环，变化器启动时，当电流超过限定值，限流环加入滑模面函数中，改变滑模面系数，从而实现限制启动电流的作用，电流小于限定值时，限流环又会自动退出滑模面函数，维持原有滑模面系数，以保证变换器的稳态性能和动态响应速度。
本发明还提供一种限流滑模控制降压直流-直流变换器的控制器；接入降压直流-直流变换器主电路和驱动电路之间，所述的控制器包括滑模控制电路和滞环比较器，滑模控制电路包括滑模控制环路和限流控制环路，滑模控制环路构成正常工作时的滑模面函数，接入降压直流-直流变换器主电路的输出电压误差信号和电流采样信号，限流控制环路的两输入端一端接入变换器电流限制设定值，另一端接入降压直流-直流变换器主电路的输出电流信号ic，滑模控制环路和限流控制环路的输出端通过加法器接入滞环比较器，滞环比较器连接驱动电路。当电流超过设定值Iref时，限流电流环输出量加入滑模面函数中，控制变换器的工作状态，以达到限流的目的，解决滞环滑模控制启动电流过大的问题，防止损坏器件。
所述的滑模控制环路包括一减法器A2、一比例调节器A1、一加法器A3，减法器A2和比例调节器A1的输出端接入加法器A3的两输入端，减法器A2的两输入端一端接入采样变换器输出电压信号vo，另一端接入给定电压信号vref，输出端输出误差信号接入加法器A3的一输入端；比例调节器A1的两输入端一端接入采样输出滤波电容电流信号ic，另一端接地，经比例调节器A1做比例调整后输出端接入加法器A3的另一输入端，构成滑模面函数s＝k1(vref-vo)-k2ic。k1为减法器A2的比例系数，k2为比例调节器A1的比例系数。
所述的限流控制环路包括另一减法器A4、二极管D1，另一减法器A4的两输入端一端接入采样输出滤波电容电流信号ic，另一端接入限流给定电流值Iref，输出端输出信号通过二极管D1后接入加法器A3的第三输入端；加法器A3的输出端接入滞环比较器，滞环比较器连接驱动电路。
所述的限流电流环路通过采样输出滤波电容电流或电感电流进行限流控制。
所述的限流电流环路采样电流的模式为传感器方式或电阻采样方式。
本发明带限流功能的滑模控制降压直流-直流变换器的控制器，稳态工作时，变换器工作点比较固定，其开关频率的变化范围很小，启动时，限流电流环起作用，不会出现启动电流过大的现象，这样整个变换器结构最为简单。本发明具有快速的动态响应速度和宽的稳定范围，对非线性负载具有良好适应性，能够满足高性能要求的应用场合。
附图说明
图1为采用本发明控制器的带限流环滑模控制降压直流-直流变换器的结构示意框图；
图2为采用本发明控制器的带限流环滑模控制降压直流-直流变换器的电路结构示意图；
图3为单纯滞环滑模控制降压直流-直流降压变换器启动时输出电压和电容电流波形；
图4为采用本发明控制器后的带限流环滑模控制降压直流-直流降压变换器启动时输出电压和电容电流波形；
图5为采用本发明控制器后的带限流环滑模控制降压直流-直流降压变换器启动时输出电压和电容电流波形在(Vref-Vo，Ic)域的效果示意图。
具体实施方式
图1、2所示为采用本发明控制器的限流滑模控制直流-直流变换器的结构示意图，如图2所示，一种带限流功能的滞环滑模控制直流-直流变换器，包括DC-DC变换器主电路1、控制器和驱动电路5，控制电路由滑模控制环路3、限流控制环路2和滞环比较器4组成。
滑模控制环路3包括一减法器A2、一比例调节器A1、一加法器A3，减法器A2和比例调节器A1的输出端接入加法器A3的两输入端，减法器A2的两输入端一端接入采样变换器输出电压信号vo，另一端接入给定电压信号vref，输出端输出误差信号接入加法器A3的一输入端；比例调节器A1的两输入端一端接入采样输出滤波电容电流信号ic，另一端接地，经比例调节器A1做比例调整后输出端接入加法器A3的另一输入端，构成滑模面函数s＝k1(vref-vo)-k2ic。
限流控制环路2包括另一减法器A4、二极管D1，另一减法器A4的两输入端一端接入采样输出滤波电容电流信号ic，另一端接入限流给定电流值Iref，输出端输出信号通过二极管D1后接入加法器A3的第三输入端。当正常工作时，减法器输出正电压，由二极管阻断不参加变换器控制。当电流大于限定值，减法器输出负电平，参加控制，实现限制电流的作用。
滑模控制环路3和限流控制环路2的输出端接入加法器A3的三输入端后接入滞环比较器4，产生信号与驱动电路5连接，滑模控制环路3是变换器的主要系统，限流控制环路2仅在电流超出限定值时才起作用。
由图3、4、5可见，在原有滑模控制中，启动时变换器状态变量要经过较长时间到达滑模面，Ic出现过流的状态；而采用本发明的控制结构时，启动时，变换器自动调整滑模面函数，使变换器状态轨迹很快达到滑模面，从而有效限制启动电流。
Claims (4)
1.一种限流滑模控制降压直流-直流变换器的方法，其特征在于：
在降压直流-直流变换器主电路上接入一带有限流控制功能的滑模控制电路；降压直流-直流变换器主电路主要工作于滑模控制状态，当电流大于限定值时，由滑模控制电路进行限流，当电流小于限定值时，降压直流-直流变换器自动回到原滑模控制状态，以实现正常工作状态和限流状态的自动切换。
2.一种基于如权利要求1所述的方法的控制器，接入降压直流-直流变换器主电路和驱动电路之间，其特征在于：所述的控制器包括滑模控制电路和滞环比较器(4)，滑模控制电路包括滑模控制环路(3)和限流控制环路(2)；所述的滑模控制环路(3)包括一减法器(A2)、一比例调节器(A1)、一加法器(A3)，减法器(A2)的两输入端一端接入采样变换器输出电压信号vo，另一端接入给定电压信号vref，输出端输出误差信号接入加法器(A3)的一输入端；比例调节器(A1)的两输入端一端接入采样输出滤波电容电流信号ic，另一端接地，经比例调节器(A1)做比例调整后输出端接入加法器(A3)的另一输入端，构成滑模面函数s＝k1(vref-vo)-k2ic，k1为减法器(A2)的比例系数，k2为比例调节器(A1)的比例系数；
所述的限流控制环路(2)包括另一减法器(A4)、二极管(D1)，另一减法器(A4)的两输入端一端接入采样输出滤波电容电流信号ic，另一端接入限流给定电流值Iref，输出端输出信号通过二极管(D1)后接入加法器(A3)的第三输入端；
加法器(A3)的输出端接入滞环比较器(4)，滞环比较器(4)连接驱动电路。
3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于：所述的限流控制环路(2)通过采样电感电流进行限流控制。
4.如权利要求2所述的控制器，其特征在于：所述的限流控制环路(2)采样电流的模式为传感器方式或电阻采样方式。
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