CN105871204B - buck变换器的大信号分解解耦控制方法以及装置 - Google Patents

buck变换器的大信号分解解耦控制方法以及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种buck变换器的大信号分解解耦控制方法以及装置，方法包括：将变换器系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建变换器的大信号电路模型；对扰动部分进行前馈解耦；对电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统，使补偿后的电流环开环传递函数为一阶纯积分环节；及对电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统，使补偿后的电压环开环传递函数为单位系统。本发明可以分别对扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象进行单独控制，从而使buck变换器的扰动控制、电压环动态特性控制、电流环动态特性控制成为互不影响的独立过程，实现解耦控制。

Description

buck变换器的大信号分解解耦控制方法以及装置
技术领域
本发明涉及电力电子变换器控制技术领域，特别涉及一种buck变换器的大信号分解解耦控制方法及装置。
背景技术
buck变换器小信号建模并采用线性反馈控制是目前一个成熟的分析和研究方法，但这种方法具有以下局限性：(1)忽略了占空比与输入电压或状态变量的乘积项，从而要求扰动量必须比直流工作点小得多；(2)实际分析中通常还要忽略直流电源和负载的扰动，简化为单输入单输出系统，导致设计的控制器裕度大，且还无法保证大信号扰动及宽范围工作时变换器的工作性能。
随着新能源分布式直流供电系统的发展，buck变换器必须适应间歇性和随机性电能的变换要求，即buck变换器将长期工作在非平稳状态，工作点处于动态变化之中。而buck变换器小信号建模及线性反馈控制因固有的局限性，难以实现buck变换器的稳定控制和高动态响应性能。因而，针对大扰动工作条件下buck变换器特点，必须采用大信号模型建模，充分描述系统的非线性特性；必须解决干扰解耦、电压环与电流环的交叉解耦，以及控制变量和输出变量的解耦问题。
变换器的大信号模型通常为非线性，对系统的分析和综合需借助非线性控制理论，采用反馈线性化、Lyapunov控制、无源控制、变结构控制、自适应控制等非线性控制策略。应用非线性理论分析和设计变换器控制系统有较严格的数学依据，在某种程度上也能改善系统的控制特性，但复杂的数学变换往往导致其物理意义不明确，要应用于工程实际还存在相当的难度。
逆系统方法是一种线性化解耦控制方法，其基本思想是根据被控对象的数学模型生成一种可用反馈方法实现的α阶积分逆系统，将被控对象补偿为解耦的伪线性系统，进而运用线性系统理论完成伪线性系统的综合。逆系统方法物理概念清晰直观，数学分析简单，具有较好的应用前景。目前逆系统方法和自适应逆控制已在电机调速系统、电液位置伺服系统等多变量系统的解耦控制中得到应用，并且取得了满意的控制效果，但在DC-DC变换器研究中进展不大，主要原因是DC-DC变换器的大信号模型是非线性强耦合系统，难以求得逆系统的解析解。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种buck变换器的大信号分解解耦控制方法及装置，从而克服buck变换器小信号建模方法的局限性以及由于buck变换器存在耦合关系导致控制器设计非常复杂的缺点。
为实现上述目的，根据本发明一方面，提供了一种buck变换器的大信号分解解耦控制方法，具体包括：将buck变换器的控制系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建该buck变换器的大信号电路模型；对所述扰动部分进行前馈解耦以消除扰动；对所述电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈一阶纯积分环节形式的电流环开环传递函数；以及对所述电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈单位系统形式的电压环开环传递函数。
为实现上述目的，根据本发明另一方面，提供了一种buck变换器的大信号分解解耦控制装置，具体包括：构建模块，用于将buck变换器的控制系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建该buck变换器的大信号电路模型；扰动解耦模块，用于对所述扰动部分进行前馈解耦以消除扰动；电流环解耦补偿模块，用于对所述电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈一阶纯积分环节形式的电流环开环传递函数；以及电压环解耦补偿模块，用于对所述电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈单位系统形式的电压环开环传递函数。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出将buck变换器的控制系统分解为扰动部分、电压环被控对象和电流环被控对象以建立大信号电路平均模型消除小信号建模的局限性以及对电压环被控对象和电流环被控对象进行逆系统解耦，得到电流环开环传递函数为一阶纯积分环节，电压环开环传递函数为单位系统，消除了电压环节与电流环节的交叉耦合以及输入直流电源和负载电流的干扰耦合，可以分别单独控制，突破了buck变换器逆系统大信号解析解难以求解和实际应用的瓶颈；实现了buck变换器逆系统动态单位解耦控制，提高系统的稳定性、快速性、抗干扰能力和鲁棒性，从而将buck变换器逆系统控制策略推向实用，这对于实现大扰动条件下新能源分布式buck变换器的工程化控制系统设计具有重要的理论意义和应用价值。
附图说明
图1是根据本发明buck变换器的大信号分解解耦控制方法的流程示意图。
图2是根据本发明buck变换器解耦控制系统方框图。
图3是根据本发明buck变换器拓扑结构图。
图4是根据本发明buck变换器大信号电路模型。
图5是根据本发明buck变换器的控制系统。
图6是根据本发明当输入电压扰动时，buck电路解耦控制系统输出电压波形。
图7是根据本发明当负载扰动时，buck电路解耦控制系统输出电压波形。
图8是根据本发明buck变换器的大信号分解解耦控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的组成部分，而并未排除其它组成部分。
图1显示了根据本发明优选实施方式的buck变换器的大信号分解解耦控制方法的流程示意图。如图1所示，该控制方法具体包括：
S100：将buck变换器的控制系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建该buck变换器的大信号电路模型；
图2为buck变换器解耦控制系统方框图，图2中Gv(s)和Gi(s)分别为电压环和电流环的线性反馈控制环节，Hv(s)和Hi(s)分别为电压环和电流环的反馈环节。Dg(s)和Do(s)分别为输入直流电源和负载电流扰动的前馈解耦环节。Dv(s)和Di1(s)、Di2(s)分别为电压环和电流环的逆系统解耦环节，由图2中的可看出，该实施例将buck变换器的控制系统分解为扰动部分(图2中短虚线所示)、电流环被控对象(图2中长虚线所示)以及电压环被控对象(图2中点划线所示)。
图3为buck变换器拓扑结构图，其中：Vi为输入电源；L为电感；rL为电感的寄生参数；S为功率开关管；D为二极管；C为滤波电容；rC为电容的寄生参数；R为负载等效电阻；i L为电感电流；iC电容电流；io为输出电流；vo为输出电压。由三端PWM开关模型法建立大信号电路模型。三端PWM开关模型法将变换器的功率开关整体作为一个三端开关网络，从而得到如图3所示的buck变换器的大信号电路模型。
由图4可以得到buck变换器的状态方程：
式中d为占空比。buck变换器的主电路方程经过拉氏变换可以得到相应的方框图(如图2中的实线框所示)。
S101：对扰动部分(输入电压Vi，负载电流io)进行前馈解耦，来消除输入电压扰动和负载扰动对输出电压的影响。
S102：对电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统；
由电流环的被控对象模型写成状态空间方程的形式
其中iL为状态变量，vLr＝dVi-vo为控制变量，y＝iL为输出变量。根据逆系统求解方法，对输出方程不断进行求导，直至y(α)显含控制变量vLr：
其雅可比矩阵
Det(A)＝1/L，rank(A)＝1，A为非奇异矩阵，由(3)可知系统的相对阶向量为{α}＝{1}，α＝1与系统(2)的阶数相等，因而系统是1阶可逆的。令作为新的输入，得到(2)的1阶积分逆系统为
可见(5)表示的逆系统解耦具有反馈结构。图2中的Di1(s)＝L、Di2(s)＝rL，将其与原系统组成伪线性系统，解耦后的广义电流环被控对象相当于一个一阶积分线性系统如图5所示。
S103：对电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统；
电压环的被控对象模型为
式中iC为状态变量，以iC为控制变量，y＝vo为输出变量，经拉氏变换后式(6)对应的传递函数为：
其单位逆系统为
式(8)表示的逆系统解耦具有不完全微分形式，将其串联在原系统之前组成伪线性系统，解耦后的广义被控对象相当于一个单位系统，IC(s)为电容电流的象函数；Dv(s)为电压环被控对象逆系统的传递函数。
S104：最后，将两者的逆系统与原系统共同组成伪线性系统，进行理论推导以分别获取电流环和电压环被控对象的开环传递函数；
按照上述方法所构造的伪线性系统是物理可实现的，因此对原系统控制问题已转化为对具有标准形式的伪线性系统控制。至此，就可以根据设计目标，按线性系统的各种设计理论来完成所要求的控制系统。
电流环开环传递函数推导过程如下：
其中，IL(s)为电感电流的象函数；L、分别为变换器中的电感、实际测得的电感；rL、分别为电感L的寄生电阻、实际测得的寄生电阻；VM、分别为锯齿波的峰峰值，实际测得的锯齿波的峰峰值；Vo为输出电压；Vi(s)、分别为输入电压的象函数、实际测得的输入电压的象函数；Φi(s)为电流环的输入信号象函数。
电流环被控对象为一阶纯积分环节。若设计电流环控制，使得iL能够很好地跟踪iref的变化，则
在电压环开环传递函数推导过程中代入式(2)，得到
其中，Vo(s)为输出电压的象函数；C、分别为变换器中的电容、实际测得的电容；rC、分别为电感C寄生电阻、实际测得的寄生电阻；Io(s)为输出电流的象函数；H1(s)为电流环反馈环节的象函数；Φu(s)为电压环的输入信号象函数。
由以上推导结果可见，经加入解耦环节，消除了电压环节与电流环节的交叉耦合，以及输入直流电源和负载电流的干扰耦合。解耦后，电流环开环传递函数为一阶纯积分环节。电压环开环传递函数为单位系统。据此可以根据线性系统理论设计控制器。
仿真验证：
基于上述提出的新型解耦控制方法，在MATLAB/Simulink模型软件中搭建仿真模型进行仿真验证。该变换器的参数为：输入直流电压Vi＝24-40V，输出直流电压12V，电感L＝0.1mH，电感串联等效电阻rL＝0Ω，电容C＝697μF，电容等效串联电阻rC＝0.1Ω负载R＝2.5-5Ω。
图6为阶跃输入时(输出电压稳定时输入电压由24V跳变到40V)输出电压波形，图7为负载波动时(负载R由5欧姆跳变为2.5欧姆)输出电压波形，从波形上可以看出控制器表现出良好的动态特性和静态特性，证明了解耦控制的有效性。
综上，本发明将buck变换器的控制系统分解为：扰动部分、电流环被控对象、电压环被控对象。对扰动部分(输入电压Vi，负载电流io)进行前馈解耦，来消除输入电压扰动和负载扰动对输出电压的影响；对电流环和电压环被控对象分别设计逆系统解耦和线性反馈控制，得到电流环开环传递函数为一阶纯积分环节，电压环开环传递函数为单位系统，其目的是将这两个对象补偿为伪线性系统，消除控制环路的交叉耦合，可以分别单独控制。从而使buck变换器的扰动控制、电压环动态特性控制、电流环动态特性控制成为互不影响的独立过程，实现解耦控制。
在该实施例中，图8中示出了一种buck变换器的大信号分解解耦控制装置，具体包括：
构建模块10，用于将buck变换器的控制系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建该buck变换器的大信号电路模型；
扰动解耦模块20，用于对扰动部分进行前馈解耦以消除扰动；
电流环解耦补偿模块30，用于对电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈一阶纯积分环节形式的电流环开环传递函数；以及
电压环解耦补偿模块40，用于对电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈单位系统形式的电压环开环传递函数。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种buck变换器的大信号分解解耦控制方法，其特征在于，具体包括：
将buck变换器系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建该buck变换器的大信号电路模型；
对所述扰动部分进行前馈解耦以消除扰动；
对所述电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈一阶纯积分环节形式的电流环开环传递函数为：
其中，IL(s)为电感电流的象函数；L、分别为变换器中的电感、实际测得的电感；rL、分别为电感L的寄生电阻、实际测得的寄生电阻；VM、分别为锯齿波的峰峰值，实际测得的锯齿波的峰峰值；Vo为输出电压；Vi(s)、分别为输入电压的象函数、实际测得的输入电压的象函数；Φi(s)为电流环的输入信号象函数；以及
对所述电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈单位系统形式的电压环开环传递函数为：
其中，Vo(s)为输出电压的象函数；C、分别为变换器中的电容、实际测得的电容；rC、分别为电容C的寄生电阻、实际测得的寄生电阻；Io(s)为输出电流的象函数；H1(s)为电流环反馈环节的象函数；Φu(s)为电压环的输入信号象函数。
2.根据权利要求1所述的buck变换器的大信号分解解耦控制方法，其特征在于，所述大信号模型的电路方程为：
其中，Vi为输入电压；rL和rC分别为电感和电容的寄生参数；iL为电感电流；iC为电容电流；io为输出电流；vo为输出电压；d为占空比。
3.根据权利要求1所述的buck变换器的大信号分解解耦控制方法，其特征在于，对所述电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统为：
其中，vLr为控制变量，L为变换器中的电感，rL为电感的寄生参数，iL为电感电流，为输入变量；
对所述电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统为：
其中，C为变换器中的电容，rC为电容C的寄生电阻；IC(s)为电容电流的象函数；Dv(s)为电压环被控对象逆系统的传递函数。
4.一种buck变换器的大信号分解解耦控制装置，其特征在于，具体包括：
分解构建模块，用于将buck变换器的控制系统分解为扰动部分、电流环被控对象以及电压环被控对象以构建该buck变换器的大信号电路模型；
扰动解耦模块，用于对所述扰动部分进行前馈解耦以消除扰动；
电流环解耦补偿模块，用于对所述电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈一阶纯积分环节形式的电流环开环传递函数，具体为：
其中，IL(s)为电感电流的象函数；L、分别为变换器中的电感、实际测得的电感；rL、分别为电感L的寄生电阻、实际测得的寄生电阻；VM、分别为锯齿波的峰峰值，实际测得的锯齿波的峰峰值；Vo为输出电压；Vi(s)、分别为输入电压的象函数、实际测得的输入电压的象函数；Φi(s)为电流环的输入信号象函数；以及
电压环解耦补偿模块，用于对所述电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统以获取呈单位系统形式的电压环开环传递函数，具体为：
其中，Vo(s)为输出电压的象函数；C、分别为变换器中的电容、实际测得的电容；rC、分别为电容C的寄生电阻、实际测得的寄生电阻；Io(s)为输出电流的象函数；H1(s)为电流环反馈环节的象函数；Φu(s)为电压环的输入信号象函数。
5.根据权利要求4所述的buck变换器的大信号分解解耦控制装置，其特征在于，所述大信号电路模型的状态方程为：
其中，Vi为输入电压；rL和rC分别为电感和电容的寄生参数；iL为电感电流；iC为电容电流；io为输出电流；vo为输出电压；d为占空比。
6.根据权利要求4所述的buck变换器的大信号分解解耦控制装置，其特征在于，对所述电流环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统为：
其中，vLr为控制变量，L为变换器中的电感，rL为电感的寄生参数，iL为电感电流，为输入变量；
对所述电压环被控对象进行逆系统解耦及线性反馈将其补偿为伪线性系统为：
其中，C为变换器中的电容，rC为电容C的寄生电阻；IC(s)为电容电流的象函数；Dv(s)为电压环被控对象逆系统的传递函数。
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