CN106787697B - Buck-Boost变换器稳定性控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Buck‑Boost变换器稳定性控制方法及装置。所述方法为：根据Buck‑Boost变换器的主电路结构建立其状态微分方程；根据输出延时反馈控制原理，对变换器中电感的初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流的解析表达式；根据上述状态微分方程的解和新参考电流表达式，得到系统的离散迭代映射模型；根据该离散迭代映射模型，通过数值仿真得到系统稳态运行时上述新参考电流表达式中反馈系数的具体取值；再根据上述新参考电流表达式得到变换器中功率开关的占空比，根据该占空比控制变换器中功率开关的导通时间，即可实现对Buck‑Boost变换器运行中出现的分岔与混沌现象进行有效的抑制或消除，达到变换器稳定运行的目的。本发明具有控制原理简单、易于实现的优点。

Description

Buck-Boost变换器稳定性控制方法及装置

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种Buck-Boost变换器稳定性控制方法及装置。

背景技术

Buck-Boost变换器因具有结构简单、输入电压范围宽、可实现升降压控制、输入电流纹波小等优点而得到了广泛的应用。然而该变换器因属变结构强非线性系统，在一定条件下会发生分岔与混沌现象，并产生高幅度的电磁噪声及振荡加剧等不稳定行为，严重影响变换器工作的稳定性与可靠性。因此有必要针对Buck-Boost变换器研究有效的控制方法，使其在发生不稳定行为时能恢复到稳定的工作状态。

目前，针对Buck-Boost变换器的稳定性控制已开展了一些研究工作，提出了诸如OGY控制法、参数共振微扰法等控制方法。这些方法对于抑制Buck-Boost变换器的分岔与混沌现象虽然起到了一定的控制效果，但均存在不同程度的不足，如OGY控制法的系统模型较为复杂；而参数共振微扰法则难以确定控制的扰动参数，因而难以实现工程应用等。因此针对Buck-Boost变换器存在的不稳定行为研究更为有效的稳定性控制方法具有重要意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种Buck-Boost变换器稳定性控制方法及装置。

本发明提供一种Buck-Boost变换器稳定性控制方法。该方法的具体步骤包括：

步骤1：根据Buck-Boost变换器的主电路结构建立其状态微分方程；

步骤2：根据输出延时反馈控制原理，对变换器中电感的初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流的解析表达式：

式中：I_ref为电感初始参考电流，T为变换器中功率开关的开关周期，k为反馈系数，u_C(t)为电容电压，u_C(t-T)为延迟时间T后的电容电压。

步骤3：根据上述状态微分方程的解和新参考电流表达式，得到系统的离散迭代映射模型；

步骤4：根据上述离散迭代映射模型，通过数值仿真确定变换器稳态运行时上述新参考电流表达式中反馈系数的具体取值；

步骤5：根据上述新参考电流表达式得到变换器中功率开关的占空比，根据该占空比控制变换器中功率开关的导通时间，即可有效抑制或消除Buck-Boost变换器运行中出现的分岔与混沌现象，实现变换器的稳定运行。

所述步骤3中，获取系统的离散迭代映射模型，具体包括：

对Buck-Boost变换器的状态微分方程求解，得到其电感电流i_L和电容电压u_C的解析表达式；

针对电容电压在连续两个开关周期的对应时刻进行采样，设其采样值分别为u_n和u_n-1，根据该采样值计算得到相应的电感新参考电流值I_n′及电流边界值I_b(n)，分别如式(2)和式(3)所示：

式中：I′_n为电感在第n个开关周期的新参考电流值，I_b(n)为电感在第n个开关周期的电流边界值。

根据电感电流在第n个开关周期的采样值i_n与相应的电流边界值I_b(n)间的关系，并由状态微分方程的解得到电感电流和电容电压的迭代关系为：

情况1：如果i_n<I_b(n)，则变换器中功率开关在整个开关周期内一直处于导通状态，此时的迭代关系式为：

式中：U_in为Buck-Boost变换器的输入电源电压，L为电感，C为电容，R为负载电阻。

情况2：如果i_n≥I_b(n)，则变换器中的功率开关在开关周期的前d_nT时间内处于导通状态，在后(1-d_n)T时间内处于关断状态，d_n为变换器中功率开关在第n个开关周期的占空比，此时的迭代关系式为：

式中：

由式(4)、(5)即构成了系统的离散迭代映射模型。

所述步骤4中，确定反馈系数所用的数值仿真方法，包括如下步骤：

步骤(4-1)：设置仿真参数；包括：电源电压U_in、Buck-Boost变换器的主电路参数电感L和电容C、负载电阻R、反馈系数增量Δk、最大迭代次数N、开关周期T以及电感电流i_n、电容电压u_n、参考电流I_ref、反馈系数k的初始值；

步骤(4-2)；设置迭代次数n的初始值；

步骤(4-3)：计算采样时刻电感的新参考电流值

步骤(4-4)：计算采样时刻电感电流的边界值

步骤(4-5)：判断电感电流的采样值i_n是否小于边界值I_b(n)，若是则按式(4)计算下一采样时刻的电感电流i_n+1和电容电压u_n+1，否则按式(5)计算；

步骤(4-6)：迭代次数n加1；

步骤(4-7)：判断n是否小于最大迭代次数N，若是则返回步骤(4-3)，否则执行步骤(4-8)；

步骤(4-8)：判断系统的输出响应i_N和u_N是否与i_N-1和u_N-1相等，若是则结束仿真并输出此时的反馈系数值，否则反馈系数增加Δk，然后返回步骤(4-2)。

所述步骤5中，得到电感新参考电流的具体表达式后，即可得到变换器中功率开关的占空比。分两种情况：

如果i_n<I_b(n)，则占空比为：d_n＝1；

如果i_n≥I_b(n)，则占空比为：

根据上述占空比控制所述Buck-Boost变换器中功率开关的导通时间，即可实现对所述Buck-Boost变换器的稳定性控制。

本发明的第二方面，提供了一种Buck-Boost变换器稳定性控制装置。所述控制装置包括：微处理器、电容电压检测模块、电感电流检测模块、预处理模块Ⅰ、预处理模块Ⅱ、输入模块、输出驱动模块、显示器以及直流稳压电源。

所述微处理器分别与所述预处理模块Ⅰ、预处理模块Ⅱ、输入模块、输出驱动模块及显示器相连。

所述微处理器，用于建立所述Buck-Boost变换器的状态微分方程；根据输出延时反馈控制原理，对变换器中电感初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流的解析表达式；根据上述状态微分方程的解和新参考电流表达式，得到系统的离散迭代映射模型；根据该离散迭代映射模型，通过数值仿真得到系统稳态运行时上述新参考电流表达式中反馈系数的具体取值；最后根据新参考电流表达式得到变换器中功率开关的占空比，根据该占空比控制Buck-Boost变换器中功率开关的导通时间，即可实现对Buck-Boost变换器实施稳定性控制。

所述电容电压检测模块用于检测所述Buck-Boost变换器中的电容电压值。

所述电感电流检测模块用于检测所述Buck-Boost变换器中的电感电流值。

所述预处理模块Ⅰ与电容电压检测模块相连，所述预处理模块Ⅰ用于对电容电压检测模块的输出信号进行变换，使其满足微处理器对输入信号的要求。

所述预处理模块Ⅱ与电感电流检测模块相连，所述预处理模块Ⅱ用于对电感电流检测模块的输出信号进行变换，使其满足微处理器对输入信号的要求。

所述输入模块用于给微处理器输入相关参数。

所述显示器用于显示相关参数与信号波形。

所述输出驱动模块用于将微处理器输出的控制信号放大以驱动Buck-Boost变换器中的功率开关。

所述直流稳压电源，用于为控制装置的各功能模块提供工作电源。

附图说明

图1为本发明Buck-Boost变换器的主电路拓扑结构图

图2为本发明提供的一种Buck-Boost变换器稳定性控制方法流程图

图3为本发明提供的一种确定电感新参考电流表达式中反馈系数k具体取值的数值仿真流程图

图4为本发明提供的一种Buck-Boost变换器稳定性控制装置结构框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的说明。

参见图1，为本发明Buck-Boost变换器的主电路拓扑结构图。该变换器包括直流电源U_in、功率开关T、电感L、电容C、二极管D和负载电阻R。

参见图2，为本发明提供的一种Buck-Boost变换器稳定性控制方法流程图。所述方法包括如下步骤：

步骤1：根据Buck-Boost变换器的主电路结构建立其状态微分方程；

步骤2：根据输出延时反馈控制原理，对变换器中电感初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流的解析表达式；

步骤3：根据上述状态微分方程的解和新参考电流表达式，得到系统的离散时间迭代映射模型；

步骤4：根据上述离散时间迭代映射模型，通过数值仿真确定变换器稳态运行时上述新参考电流关系式中反馈系数的具体取值；

步骤5：根据上述新参考电流表达式得到变换器中功率开关的占空比，根据该占空比控制变换器中功率开关的导通时间，即可有效抑制或消除Buck-Boost变换器运行中出现的分岔与混沌现象，实现变换器的稳定运行。

所述步骤1中，建立所述Buck-Boost变换器的状态微分方程，具体包括：

首先，在建立所述Buck-Boost变换器的状态微分方程时，作如下假设：将所述Buck-Boost变换器中所有电路元器件均视为理想器件，输入电源视为理想直流稳压电源；所述电路元器件包括：功率开关管、二极管、电感、电容及负载电阻。

以Buck-Boost变换器中的电感电流i_L和电容电压u_C作为系统状态变量，根据该变换器中功率开关处于导通和关断两种状态，并基于基尔霍夫定律建立其状态微分方程，分别如式(1)、式(2)所示：

式中：为系统状态向量， U_in为Buck-Boost变换器的输入电源电压，L为电感，C为电容，R为负载电阻。

所述步骤2中，根据输出延迟反馈控制原理，对Buck-Boost变换器中电感的初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流的解析表达式，为：

式中：I_ref为电感初始参考电流，T为变换器中功率开关的开关周期，k为反馈系数，u_C(t)为电容电压，u_C(t-T)为延迟时间T后的电容电压。

所述步骤3中，得到系统的离散时间迭代映射模型，具体包括：

首先对Buck-Boost变换器的状态微分方程(1)、(2)求解，得到其解分别如式(4)、式(5)所示：

式中：φ_j(t)为A_j的状态转移矩阵。

根据拉普拉斯变换法，求得其状态转移矩阵φ_j(t)为：

式中：

再针对电容电压在任意连续两个开关周期的对应时刻进行采样，设其采样值分别为u_n和u_n-1，根据该采用值计算得到相应的电感新参考电流值I_n′及电流边界值I_b(n)，分别如式(8)和式(9)所示：

式中：I′_n为电感在第n个开关周期的新参考电流值，I_b(n)为电感第n个开关周期的电流边界值。

根据电感电流在第n个开关周期的采样值i_n与其对应的电流边界值I_b(n)间的关系，并由状态微分方程的解得到电感电流和电容电压的迭代关系为：

情况1：如果i_n<I_b(n)，则变换器中功率开关在整个开关周期内T内一直处于导通状态，此时有t₀＝nT，t₁＝(n+1)T，则由式(4)得：

情况2：如果i_n≥I_b(n)，则变换器中功率开关在开关周期T中的前d_nT时间内处于导通状态，在后(1-d_n)T时间内处于关断状态，d_n为变换器中功率开关在第n个开关周期的占空比，将t₀＝nT，t₁＝nT+d_nT，t₂＝(n+1)T代入式(5)得：

式中：

由式(10)、(11)即构成了系统的离散迭代映射模型。

所述步骤4的实现方式：

参见图3，为本发明实施例提供的一种确定电感新参考电流表达式中反馈系数k具体取值的数值仿真流程图。具体步骤如下：

步骤(4-1)：设置仿真参数；包括：电源电压U_in、Buck-Boost变换器的主电路参数电感L和电容C、负载电阻R、反馈系数增量Δk、最大迭代次数N、开关周期T以及电感电流i_n、电容电压u_n、参考电流I_ref、反馈系数k的初始值；

步骤(4-2)；设置迭代次数n的初始值；

步骤(4-3)：计算采样时刻电感的新参考电流值

步骤(4-4)：计算采样时刻电感电流的边界值

步骤(4-5)：判断电感电流的采样值i_n是否小于边界值I_b(n)，若是则按式(10)计算下一采样时刻的电感电流i_n+1和电容电压u_n+1，否则按式(11)计算；

步骤(4-6)：迭代次数n加1；

步骤(4-7)：判断n是否小于最大迭代次数N，若是则返回步骤(4-3)，否则执行步骤(4-8)；

步骤(4-8)：判断系统的输出响应i_N和u_N是否与i_N-1和u_N-1相等，若是则结束仿真并输出此时的反馈系数值，否则反馈系数增加Δk，然后返回步骤(4-2)。

所述步骤5的实现方式，具体为：

确定反馈系数的具体取值后，可得到电感新参考电流的具体表达式，由此可得到变换器中功率开关的占空比。分两种情况：

如果i_n<I_b(n)，则变换器中功率开关在整个开关周期内一直处于导通状态，此时的占空比为：d_n＝1；

如果i_n≥I_b(n)，则变换器中的功率开关在开关周期中的前d_nT时间内处于导通状态，在后(1-d_n)T时间内处于关断状态。

在这种情况下，当变换器中的功率开关在前d_nT时间内处于导通状态时有：

对(12)两边积分，整理后得(C为常数)，假设电感在第n个采样点的电流为i_n，经过d_nT时间后电感电流达到新参考电流值I′_n，由此可得：

对式(13)求解得到变换器中功率开关的占空比为：

根据上述占空比控制所述Buck-Boost变换器中功率开关的导通时间，即可实现对所述Buck-Boost变换器的稳定性控制。

本发明实施例还提供一种Buck-Boost变换器稳定性控制装置，该装置包括：微处理器、电容电压检测模块、电感电流检测模块、预处理模块Ⅰ、预处理模块Ⅱ、输入模块、输出驱动模块、显示器以及直流稳压电源。

所述微处理器分别与所述预处理模块Ⅰ、预处理模块Ⅱ、输入模块、输出驱动模块及显示器相连。

所述微处理器，用于建立所述Buck-Boost变换器的状态微分方程；根据输出延时反馈控制原理，对变换器中电感初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流的解析表达式；根据上述状态微分方程的解和新参考电流表达式，得到系统的离散迭代映射模型；根据该离散迭代映射模型，通过数值仿真得到系统稳态运行时上述新参考电流表达式中反馈系数的具体取值；最后根据新参考电流表达式得到变换器中功率开关的占空比，根据该占空比控制Buck-Boost变换器中功率开关的导通时间，即可实现对Buck-Boost变换器实施稳定性控制。

所述电容电压检测模块用于检测所述Buck-Boost变换器中的电容电压值。

所述电感电流检测模块用于检测所述Buck-Boost变换器中的电感电流值。

所述预处理模块Ⅰ与电容电压检测模块相连，所述预处理模块Ⅰ用于对电容电压检测模块的输出信号进行变换，使其满足微处理器对输入信号的要求。

所述预处理模块Ⅱ与电感电流检测模块相连，所述预处理模块Ⅱ用于对电感电流检测模块的输出信号进行变换，使其满足微处理器对输入信号的要求。

所述输入模块用于给微处理器输入相关参数。

所述显示器用于显示相关参数与信号波形。

所述输出驱动模块用于将微处理器输出的控制信号放大以驱动Buck-Boost变换器中的功率开关。

所述直流稳压电源，用于为控制装置的各功能模块提供工作电源。

Claims (3)

1.一种Buck-Boost变换器稳定性控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据Buck-Boost变换器的主电路结构建立其状态微分方程；

步骤2：根据输出延时反馈控制原理，对变换器中电感的初始参考电流进行修正，得到电感新参考电流表达式：

式中：I_ref为电感初始参考电流，T为变换器中功率开关的开关周期，k为反馈系数，u_C(t)为电容电压，u_C(t-T)为延迟时间T后的电容电压；

步骤3：根据上述状态微分方程的解和新参考电流表达式，得到系统的离散迭代映射模型；

步骤4：根据上述离散迭代映射模型，通过数值仿真确定变换器稳态运行时上述新参考电流表达式中反馈系数的具体取值；

步骤5：根据上述新参考电流表达式得到变换器中功率开关的占空比，根据该占空比控制变换器中功率开关的导通时间，即可有效抑制或消除Buck-Boost变换器运行中出现的分岔与混沌现象，实现变换器的稳定运行；

所述步骤3中获取系统的离散迭代映射模型，具体包括：

对Buck-Boost变换器的状态微分方程求解，得到其电感电流i_L和电容电压u_C的解析表达式；

针对电容电压在连续两个开关周期的对应时刻进行采样，设其采样值分别为u_n和u_n-1，根据该采样值计算得到相应的电感新参考电流值I′_n及电流边界值I_b(n)，分别如式(2)和式(3)所示：

式中：I′_n为电感在第n个开关周期的新参考电流值，I_b(n)为电感在第n个开关周期的电流边界值；

根据电感电流在第n个开关周期的采样值i_n与相应的电流边界值I_b(n)间的关系，并由状态微分方程的解得到电感电流和电容电压的迭代关系为：

情况1：如果i_n＜I_b(n)，则变换器中功率开关在整个开关周期内一直处于导通状态，此时的迭代关系式为：

式中：U_in为Buck-Boost变换器的输入电源电压，L为电感，C为电容，R为负载电阻；

情况2：如果i_n≥I_b(n)，则变换器中的功率开关在开关周期的前d_nT时间内处于导通状态，在后(1-d_n)T时间内处于关断状态，d_n为变换器中功率开关在第n个开关周期的占空比，此时的迭代关系式为：

式中：c₁＝I′_n，t_d＝(1-d_n)T；

由式(4)、(5)即构成了系统的离散迭代映射模型。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤4中确定反馈系数的数值仿真方法，包括如下步骤：

步骤(4-1)：设置仿真参数；包括：电源电压U_in、Buck-Boost变换器的主电路参数电感L和电容C、负载电阻R、反馈系数增量Δk、最大迭代次数N、开关周期T以及电感电流i_n、电容电压u_n、参考电流I_ref、反馈系数k的初始值；

步骤(4-2)；设置迭代次数n的初始值；

步骤(4-3)：计算采样时刻电感的新参考电流值

步骤(4-4)：计算采样时刻电感电流的边界值

步骤(4-5)：判断电感电流的采样值i_n是否小于边界值I_b(n)，若是则按式(4)计算下一采样时刻的电感电流i_n+1和电容电压u_n+1，否则按式(5)计算；

步骤(4-6)：迭代次数n加1；

步骤(4-7)：判断n是否小于最大迭代次数N，若是则返回步骤(4-3)，否则执行步骤(4-8)；

步骤(4-8)：判断系统的输出响应i_N和u_N是否与i_N-1和u_N-1相等，若是则结束仿真并输出此时的反馈系数值，否则反馈系数增加Δk，然后返回步骤(4-2)。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤5中得到电感新参考电流的具体表达式后，即可得到变换器中功率开关的占空比，分两种情况：

如果i_n＜I_b(n)，则占空比为：d_n＝1；

如果i_n≥I_b(n)，则占空比为：

根据上述占空比控制所述Buck-Boost变换器中功率开关的导通时间，即可实现对所述Buck-Boost变换器的稳定性控制。