CN102545610A - 一种滑模变结构控制dc-dc开关变换器的数字方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字方法及系统，DC-DC开关变换器的控制环路对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号，滑模控制环从多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出，利用滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制。本发明通过在DC-DC开关变换器的数字控制环路中引入滑模控制环，通过滑模控制环控制不同控制环路的控制输出，实现环路和环路之间的平滑切换，解决了环路切换时存在的动态响应速度慢、切换不平滑导致的输出震荡等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种DC-DC(直流-直流)开关变换器的控制方法及系统，特别涉及一种基于滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字控制方法及系统。
背景技术
DC-DC开关变换器除了实现基本的稳压输出功能外，为了提高系统的可靠性，还会对输出电流和输出功率的大小进行限制，其输出负载特性曲线如图1所示。其中恒压输出曲线11是由恒压环控制实现，其受控对象为当前输出电压，参考对象为限定的输出电压值；限功率输出曲线12是由限功率环控制实现，其受控对象为当前输出电压和当前输出电流的积，即输出功率，参考对象为限定的输出功率值；限流输出曲线13是由限流环控制实现，其受控对象是当前输出电流，参考对象是限定的输出电流值。
随着负载的渐变或突变，环路和环路之间有时存在切换。假设DC-DC开关变换器工作在恒压状态，随着负载的渐变或突变，当输出电流大于限定的输出电流时，其控制电路从恒压环切换到限流环，当输出功率大于限定的输出功率时，其控制电路从恒压环切换到限功率环。假设DC-DC开关变换器工作在限流状态，随着负载的渐变或突变，当输出电压大于限定的输出电压时，其控制电路从限流环切换到恒压环，当输出功率大于限定的输出功率时，其控制电路从限流环切换到限功率环。假设DC-DC开关变换器工作在限功率状态，随着负载的渐变或突变，当输出电压大于限定的输出电压时，其控制电路从限功率环切换到恒压环，当输出电流大于限定的输出电流时，其控制电路从限功率环切换到限流环。
环路切换时，通常存在动态响应速度慢、切换不平滑，导致输出震荡等缺点。
滑模变结构非常适合于解决环路切换时所引发的问题。目前对DC-DC开关变换器的性能指标要求不断提高，在动态切换方面不但要求动态响应速度要快，还要求切换要平滑。而滑模变结构控制对参数变化不敏感，不受某些外部扰动的影响，能在保证稳定性的同时，快速进行响应。因此，滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法，非常适合于解决DC-DC开关变换器的控制环路切换时存在的问题。
现有的模拟电路设计方法在实现滑模变结构控制DC-DC开关变换器时设计过程复杂，且缺乏精确性。传统的基于滑模变结构控制DC-DC开关变换器的方法多采用模拟控制芯片或者模拟与数字相结合的方法，其控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂、灵活性不够。随着微处理器技术的迅猛发展，数字化技术不断提高，使用高性能高集成度的数字电路研制新一代功率变换器已经成为一种发展趋势。数字电路具有速度快、可靠性高、可移植性强的优点，而且能够通过复杂的计算实现丰富灵活的控制策略。近年来，数字化技术实际上已成为电力电子技术发展的一个重要动力。因此，相对于模拟系统而言，利用数字方法来实现基于滑模变结构控制的DC-DC开关变换器是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于滑模变结构控制的DC-DC开关变换器的数字控制方法及系统，能更好地解决环路切换时存在的动态响应速度慢、切换不平滑导致的输出震荡等问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字方法，该方法包括以下步骤：
DC-DC开关变换器的控制环路对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号；
滑模控制环从多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出；
利用滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制。
优选的，该控制环路包括恒压环、限流环、限功率环，其中，
恒压环对DC-DC开关变换器的当前输出电压进行采样处理并输出恒压环的导通占空比；
限流环对DC-DC开关变换器的当前输出电流进行采样处理并输出限流环的导通占空比；
限功率环对DC-DC开关变换器的当前输出电压、当前输出电流进行采样处理并输出限功率环的导通占空比。
优选的，滑模控制环比较多个控制信号，选取其中最小值作为控制输出。
优选的，滑模控制环比较恒压环输出的导通占空比、限流环输出的导通占空比、限功率环输出的导通占空比，选取其中最小值作为控制输出。优选的，滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制的步骤具体为：
利用滑模控制环的控制输出计算DC-DC开关变换器的开关管的导通占空比；
利用开关管的导通占空比生成脉冲宽度调制PWM波，对DC-DC开关变换器进行控制。
优选的，恒压环、限流环、限功率环分别基于滑模变结构控制。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字系统，该系统包括：
DC-DC开关变换器，用于将固定的直流电压变换成可变的直流电压；
控制环路，用于对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号；
滑模控制环，用于从多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出，控制DC-DC开关变换器。
优选的，控制环路包括：
恒压环，用于对DC-DC开关变换器的当前输出电压进行采样处理并输出恒压环的导通占空比；
限流环，用于对DC-DC开关变换器的当前输出电流进行采样处理并输出限流环的导通占空比；
限功率环，用于对DC-DC开关变换器的当前输出电压、当前输出电流进行采样处理并输出限功率环的导通占空比。
优选的，滑模控制环比较恒压环输出的导通占空比、限流环输出的导通占空比、限功率环输出的导通占空比，取其中最小值作为滑模控制环的控制输出。
优选的，恒压环、限流环、限功率环分别基于滑模变结构控制。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：通过在DC-DC开关变换器的数字控制环路中引入滑模控制环，利用滑模控制环控制不同环路的控制输出，实现环路和环路之间的平滑切换，具有环路切换时动态响应速度快、切换平滑等有益效果。
附图说明
图1是现有技术提供的DC-DC开关变换器的输出负载特性曲线；
图2是本发明提供的滑模变结构控制DC-DC开关变换器的控制方法流程图；
图3是本发明实施例提供的滑模变结构控制DC-DC开关变换器的控制方法流程图；
图4是滑模变结构控制的原理框图；
图5是本发明实施例提供的采用平均电流模式的恒压环控制的结构框图；
图6是本发明实施例提供的限流环控制的结构框图；
图7是本发明实施例提供的限功率环控制的结构框图；
图8是本发明实施例提供的滑模控制的数字实现流程图；
图9是本发明实施例提供的负载从恒压环切换到限流环时环路输出占空比的变化曲线图；
图10是本发明实施例提供的基于滑模变结构控制的DC-DC开关变换器的数字控制系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在DC-DC开关变换器中，随着输出负载的改变，变换器的输出电压、输出电流和输出功率都有可能改变。假设变换器先工作在恒压状态，即输出电压恒定，此时逐渐增加负载，输出电流和输出功率均增大，随着负载的逐步加大，当输出电流大于限定的输出电流或者输出功率大于限定的输出功率，期望将输出电流或者输出功率限制为限定值，此时期望将受控量从输出电压切换到输出电流或者输出功率，工作环路从恒压环切换到限流环或限功率环。
为了实现环路之间的平滑切换，三个控制环路根据其受控量的当前时刻的值和期望值或限定值进行比较，在每个采样周期，在中断子函数中依次计算三个环路的控制输出。滑模控制环取三个环路的控制输出的最小值作为其输出值，根据该最小值计算DC-DC开关变换器的开关管的导通占空比或开关周期，并发出PWM(PULSE WIDTH MODULATION脉冲宽度调制)波控制开关管的开通和关断时间，从而实现对DC-DC开关变换器输出的控制。
图2是本发明提供的滑模变结构控制DC-DC开关变换器的控制方法流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S201，DC-DC开关变换器的控制环路对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号。
步骤S202，滑模控制环从多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出。
步骤S203，利用滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制。
图3是本发明实施例提供的滑模变结构控制DC-DC开关变换器的控制方法流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S301，在DC-DC开关变换器的控制电路中引入滑模控制环。
例如在图4中，在DC-DC开关变换器的控制电路的受控对象即DC-DC开关变换器和控制环路之间引入滑模控制环，其中控制环路包括恒压环、限流环、限功率环。滑模控制环共有三个输入，分别为恒压环的控制输出、限流环的控制输出、限功率环的控制输出。滑模控制环的输出控制受控对象，即DC-DC开关变换器，受控对象的输出值又输入恒压环、限流环和限功率环中。
步骤S302，恒压环、限流环、限功率环分别通过滑模变结构控制生成控制输出。
例如在图5中，恒压环采用平均电流模式控制，其受控量为AD(模数转换器)采样得到的DC-DC开关变换器的当前输出电压，其参考值为DC-DC开关变换器的限定输出电压，将采样得到的当前输出电压和限定输出电压进行比较，得到当前输出电压的误差值，该误差值乘以其环校正传函Gvc(z)，得到控制输出Iref，即原边电流内环的参考值。将原边电流的参考值和原边电流进行比较，得到原边电流的误差值，将原边电流的误差值乘以其校正传函Gic(z)，输出恒压环的控制输出dv，即恒压环的占空比。恒压环的控制输出过程构成滑模面函数，其中KV是校正传函Gvc(z)的系数，Kip是校正传函Gic(z)的系数。
例如在图6中，限流环的受控量为AD采样得到的DC-DC开关变换器的当前输出电流，其参考值是DC-DC开关变换器的限定输出电流，将当前输出电流和限定输出电流比较，得到当前输出电流的误差值，将该误差值乘以其校正传函GiO(z)，输出限流环的控制输出dI，即限流环的占空比。限流环的控制输出也是由滑模面函数得到，其中
是校正传函GiO(z)的系数。
例如在图7中，限功率环的受控量为DC-DC开关变换器的当前输出功率，微处理器对采样得到的输出电流和输出电压进行乘积计算得到当前输出功率。限功率环的参考值为DC-DC开关变换器的限定输出功率，将当前输出功率和限定输出功率相比较，得到当前输出功率的误差值，将该误差值乘以其校正传函GPo(z)，输出限功率环的控制输出dP，即限功率环的占空比。限流环的控制输出也是由滑模变结构控制生成，其中
和KV是校正传函GPo(z)的系数。
步骤S303，滑模控制环比较恒压环、限流环、限功率环的控制输出，取最小值作为滑模控制环的输出。
例如在图8中，滑模控制环的数字实现流程包括以下步骤：
步骤S3031，滑模控制环判断恒压环的控制输出dV是否大于限流环的控制输出dI，如果大于则执行步骤S3032，否则执行步骤S3033。
步骤S3032，让恒压环的控制输出dV等于限流环的控制输出dI。
步骤S3033，判断恒压环的控制输出dV是否大于限功率环的控制输出dP，如果大于，则执行步骤S3034，否则执行步骤S3035。
步骤S3034，让恒压环的控制输出dV等于限功率环的控制输出dP。
步骤S3035，让滑模控制环的输出d等于恒压环的控制输出dV。
经过以上的流程，滑模控制环从恒压环、限流环、限功率环的控制输出中，选择最小的值作为滑模控制环的输出，从而实现了恒压环、限流环、限功率环之间的切换。
步骤S304，根据滑模控制环的输出值计算开关管的导通占空比。
步骤S305，根据开关管的导通占空比发出PWM波控制开关管的开通和关断时间。
图9是本发明实施例提供的负载从恒压环切换到限流环时环路输出占空比的变化曲线，如图9所示，to时刻为负载突变的时刻点，负载突变前，环路工作在恒压输出状态，此时DC-DC开关变换器的当前输出电流小于限定输出电流，当前输出功率小于限定输出功率，当前输出电流的误差值和当前输出功率的误差值均为正数，所以限流环的控制输出和限功率环的控制输出均处于饱和输出状态，此时恒压环的控制输出小于限流环的控制输出，也小于限功率环的控制输出。当突加负载后，当前输出电流增大。当当前输出电流增大到大于或等于限定输出电流时，限流环的控制输出退饱和并逐渐减小，而由于负载增加，输出电压存在跌落，恒压环的控制输出逐渐增加，当限流环的控制输出小于恒压环的控制输出时，用限流环的控制输出取代恒压环的控制输出，成为开关管的导通占空比或开关周期。这样滑模控制环的控制输出d是渐变的，平滑的从dV过渡到dI，从而平滑的实现恒压环到限流环的切换。虽然切换后，DC-DC开关变换器的当前输出功率也增大，但由于当前输出功率没有增大到其限定值，所以当前输出功率和限定输出功率的误差一直为正值，限功率环的控制输出在整个切换过程前后一直处于饱和状态。
其他切换模式，比如恒压环到限功率环、限流环到恒压环、限流环到限功率环的切换等和恒压环到限流环的切换原理是一样的。
图10是本发明实施例提供的基于滑模变结构控制的DC-DC开关变换器的控制系统的结构示意图，如图10所示，该系统包括DC-DC开关变换器1、滑模控制环2和控制环路3。DC-DC开关变换器1的控制环路3对DC-DC开关变换器1采样并处理得到多个控制信号，滑模控制环2从控制环路3的多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出，对DC-DC开关变换器1进行控制。其中，控制环路3包括恒压环4、限流环5、限功率环6。
恒压环4采用平均电流模式控制，其受控量为AD采样得到的DC-DC开关变换器1的当前输出电压，其参考值为DC-DC开关变换器1的限定输出电压，将采样得到的当前输出电压、原边电流和限定输出电压进行处理，输出恒压环4的控制输出，即恒压环4的占空比。
限流环5的受控量为AD采样得到的DC-DC开关变换器1的当前输出电流，其参考值是DC-DC开关变换器1的限定输出电流，将当前输出电流和限定输出电流处理，输出限流环5的控制输出，即限流环5的占空比。
限功率环6的受控量为DC-DC开关变换器1的当前输出功率，参考值为DC-DC开关变换器1的限定输出功率。限功率环6对采样得到的输出电流和输出电压进行乘积计算得到当前输出功率，然后将当前输出功率和限定输出功率进行处理，输出限功率环6的控制输出，即限功率环6的占空比。
滑模控制环2比较恒压环4、限流环5、限功率环6的控制输出，取最小值作为滑模控制环2的输出。根据滑模控制环2的输出值计算开关管的导通占空比，并根据开关管的导通占空比发出PWM波控制开关管的开通和关断时间，从而实现对DC-DC变换器输出的控制。
综上所述，本发明通过在DC-DC开关变换器的数字控制环路中引入滑模控制环，通过滑模控制环控制不同环路的控制输出，实现环路和环路之间的平滑切换，具有环路切换时动态响应速度快、切换平滑等有益效果。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
DC-DC开关变换器的控制环路对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号；
滑模控制环从所述多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出；
利用所述滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制环路包括恒压环、限流环、限功率环，其中，
恒压环对DC-DC开关变换器的当前输出电压进行采样处理并输出恒压环的导通占空比；
限流环对DC-DC开关变换器的当前输出电流进行采样处理并输出限流环的导通占空比；
限功率环对DC-DC开关变换器的当前输出电压、当前输出电流进行采样处理并输出限功率环的导通占空比。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，滑模控制环比较所述多个控制信号，选取其中最小值作为所述控制输出。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，滑模控制环比较所述恒压环输出的导通占空比、限流环输出的导通占空比、限功率环输出的导通占空比，选取其中最小值作为所述控制输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制的步骤具体为：
利用所述滑模控制环的控制输出计算DC-DC开关变换器的开关管的导通占空比；
利用所述开关管的导通占空比生成脉冲宽度调制PWM波，对DC-DC开关变换器进行控制。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述恒压环、限流环、限功率环分别基于滑模变结构控制。
7.一种滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字系统，其特征在于，所述系统包括：
DC-DC开关变换器，用于将固定的直流电压变换成可变的直流电压；
控制环路，用于对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号；
滑模控制环，用于从所述多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出控制DC-DC开关变换器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制环路包括：
恒压环，用于对DC-DC开关变换器的当前输出电压进行采样处理并输出恒压环的导通占空比；
限流环，用于对DC-DC开关变换器的当前输出电流进行采样处理并输出限流环的导通占空比；
限功率环，用于对DC-DC开关变换器的当前输出电压、当前输出电流进行采样处理并输出限功率环的导通占空比。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，滑模控制环比较所述恒压环输出的导通占空比、限流环输出的导通占空比、限功率环输出的导通占空比，取其中最小值作为滑模控制环的控制输出。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述恒压环、限流环、限功率环分别基于滑模变结构控制。
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