CN107093955B - 一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法，该方法基于降压平均状态模型，利用连续滑模控制理论和有限时间观测器设计复合连续控制器，使降压变换器在无需电流传感器的条件下，仍可以精确跟踪参考输入电压，降低系统的硬件成本，提高系统的容错性。同时有限时间观测器还可以用来估计变换器系统因参数摄动、输入电压波动和负载突变引起的干扰，提高系统的抗干扰能力。本发明所设计的无电流传感复合控制器能够在直流降压变换器存在参数摄动、输入电压波动和负载突变的情况下，实现对于参考电压的精确跟踪。通过实例验证，本发明所提出的复合控制器可以消除传统滑模的抖颤现象，并使闭环系统具有良好的响应速度和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法，具体涉及一种基于连续滑模控制和有限时间观测器的直流降压变换器无电流传感器控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
近年来，随着智能电网和分布式新能源的迅速发展，促进了直流降压变换器系统在多种直流电压调节系统中的广泛应用，其应用场合包括：高压直流输配电系统、直流电机驱动系统、太阳能光伏发电系统、工业自动化系统及军事航天等领域。作为最常见和基础的电能转换装置，直流降压变换器输出电压响应速度、抗干扰能力和跟踪精度都对与其连接的电气设备起到至关重要的作用，因而对于直流降压变换器的高精度控制研究受到越来越多的关注。此外，为降低系统的成本和提高系统的容错能力，无电流传感技术也成为研究的热点。
传统的PID控制方法作为工程中最为常见的控制方法，因其结构简单、实现方便、对硬件性能要求不高等优点被广泛应用于直流变换器系统。但由于其线性控制的局限性难以满足实际控制的高精度需求，尤其在直流变换器系统存在参数摄动、输入电压波动及负载突变等情况。随着微控制器计算能力的大幅度提升和半导体器件成本的下降，大量的先进非线性控制方法得以研究和成功应用于直流降压变换器系统，例如鲁棒控制、抗干扰控制、自适应控制、最优控制、滑模控制等。这些方法都从不同方面提升了降压变换器系统的性能。
值得提出的是，滑模控制因其对于参数不确定以及外界干扰有着很强的鲁棒性，且其切换控制的特点恰好符合电力电子变换器系统开关器件的动作特性，在电力电子变换器系统中得到广泛研究。文献(黄忻,汪健,陈宗祥,等.基于FPGA的比例积分滑模控制DC/DC变换器研究[J].电机与控制学报,2016,20(9):67-72)通过设计电感电流、输出电压及其积分的线性组合滑模面，在系统参数变化、供电电压变化以及外部干扰情况下，实现输出电压的稳定跟踪。但该方法设计的控制率是不连续，导致控制器的抖颤现象，不仅增加开关器件的损耗，也会引起输出电压的波动。文献(Ling R.,Maksimovic D.,Leyva R.,Second-Order Sliding-Mode Controlled Synchronous Buck DC–DC Converter[J].IEEETransactions on Power Electronics,2016,31(3):2539-2549)中针对直流降压变换器设计了二阶连续滑模控制器，实验结果表明该方案能够实现对于系统干扰的有效抑制，达到较高的跟踪精度。但该方法同时需要电压和电流的测量信息，在一定程度上提高了系统的成本，无法满足系统的高容错性要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法，该方法结合有限时间观测器和连续滑模技术，实现对直流降压变换器参考电压快速、准确跟踪及干扰精确补偿抑制。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法，包括如下步骤：
步骤1，分别以直流降压变换器的电容电压、电感电流为状态量，采用时间平均技术，同时考虑直流降压变换器参数摄动、输入电压波动和负载突变的影响，建立直流降压变换器的受扰状态空间平均模型；
步骤2，针对受扰状态空间平均模型，设计有限时间观测器，在估计电感电流的同时，估计由参数摄动、输入电压波动和负载突变引起的集总干扰；
步骤3，在步骤2设计的有限时间观测器基础上，考虑无电流传感器和集总干扰的情况，基于连续滑模控制理论，设计复合连续滑模控制器；
步骤4，将根据步骤3复合连续滑模控制器得到的控制量经dSPACE实时控制器的PWM模块输出，产生PWM驱动信号，通过实时改变PWM信号占空比，控制直流降压变换器的输出电压。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述直流降压变换器的受扰状态空间平均模型为：
其中，Vo为电容电压，iL为电感电流，C0、R0、L0和Vin0分别为直流降压变换器中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，u为控制量占空比信号，ΔC和ΔL均为参数摄动，ΔR和ΔVin分别为负载突变和输入电压波动，t为时间。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2的具体过程为：
步骤21，在步骤1建立的受扰状态空间平均模型基础上，将参数摄动、输入电压波动和负载突变视为集总干扰，进行坐标变换：
其中， Vo为电容电压，iL为电感电流，C0、R0、L0和Vin0分别为直流降压变换器中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，u为控制量占空比信号，ΔC和ΔL均为参数摄动，ΔR和ΔVin分别为负载突变和输入电压波动，t为时间；
步骤22，定义直流降压变换器的电压跟踪误差x1为：x1＝Vo-Vref，其中Vref为参考电压，定义状态变量则直流降压变换器的误差动态方程为：
其中，为直流降压变换器的集总干扰；
步骤23，基于步骤22得到的误差动态方程，根据高阶滑模理论，构造有限时间观测器：
其中，为电压跟踪误差x1的估计值，为状态变量x2的估计值，为集总干扰D(t)的估计值，观测器参数K>0，v1、v2和v3均为中间变量。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体过程为：
步骤31，在有限时间观测器基础上，设计无需电流传感器的输出反馈滑模面S：其中c1为控制滑模面收敛速度的参数，对滑模面S进行求导，得到：
其中，为电压跟踪误差x1的估计值，为状态变量x2的估计值，为集总干扰D(t)的估计值，观测器参数K>0，C0、R0、L0和Vin0分别为直流降压变换器中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，u为控制量占空比信号，Vref为参考电压；
步骤32，设计无电流传感器的复合连续滑模控制器：
其中，λ1>0,λ2>0为复合连续滑模控制器的参数，t>0为控制器的积分时间。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4的具体过程为：
步骤41，在得到的复合连续滑模控制器基础上，利用dSPACE实时控制器中的A/D采样模块，将直流降压变换器中的电压传感器采集到的电容电压即输出电压转换为数字信号；
步骤42，将复合连续滑模控制量经dSPACE实时控制器的PWM模块输出，得到频率固定占空比可变的PWM驱动信号；
步骤43，利用频率固定占空比可变的PWM驱动信号控制直流降压变换器的开关管，实现直流降压变换器的输出电压控制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明将有限时间观测器和连续滑模控制技术相结合的复合控制器应用于直流降压变换器，首先利用有限时间观测器技术在电路平均模型和电压传感器采集的电压信息的基础上对系统电流信息和集总干扰进行估计，得到重构后的电流信息及集总干扰信息，结合连续滑模控制技术设计出针对降压变换器的无电流传感器复合控制器，在保证系统动态响应性能的基础上，因为不需要使用电流传感器，降低了系统的成本，提高了系统容错能力，而且可以明显地抑制参数摄动、输入电压波动和负载突变等因素引起的干扰，从而大大提高直流降压变换器系统的输出电压控制精度和干扰抑制能力。
2、本发明将基于有限时间观测器的连续滑模复合控方法应用于直流降压变换器，在保证原有动态性能的基础上，可以明显提高系统的抗干扰能力和系统容错能力以及降低系统成本，满足降压变换器在高精度领域的应用，具有很好的应用价值。
附图说明
图1(a)是本发明直流降压变换器的控制框图。
图1(b)是本发明直流降压变换器的平台结构示意图。
图2是本发明直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法的原理图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别是本发明方法在没有干扰情况下的输出电压响应曲线图、电感电流估计与真实电流比较曲线图、控制量曲线图。
图4(a)、图4(b)、图4(c)分别是本发明方法在负载由20Ω突变为40Ω情况下的输出电压响应曲线图、系统状态x2估计与真实状态比较曲线图、控制量曲线图。
图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是本发明方法在输入电压由50V波动到60V情况下的输出电压响应曲线图、系统状态x2估计与真实状态比较曲线图、控制量曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法，具体步骤如下：
步骤1，建立直流降压变换器的状态空间模型，分别以变换器系统的电感电流、电容电压为状态量，采用时间平均技术，同时考虑系统参数摄动、输入电压波动和负载突变等因素影响，建立降压变换器的状态空间平均模型；
步骤2，针对直流降压变换器系统模型，设计有限时间观测器，在估计系统电感电流的同时，估计由参数摄动、输入电压波动和负载突变引起的集总干扰；
步骤3，在已设计的有限时间观测器的基础上，考虑无电流传感器和集总干扰的情况，基于连续滑模控制理论，设计复合连续滑模控制器；
步骤4，将得到的复合控制器通过dSPACE DS1103实时控制器提供的PWM模块输出，从而产生PWM驱动信号，通过实时改变PWM信号占空比，实现变换器系统对于目标电压的快速、高精度跟踪。
步骤1：
如图1(a)、图1(b)所示，分别为直流降压变换器的基本控制结构、平台结构。Vin为输入电压，L为滤波电感，VD为二极管，VT为开关管，C为输出端电容，R为负载电阻，u为开关管VT的控制量输入即控制器输出，Vo为输出电压，利用电压传感器采集测量系统的电压信号，输入到dSAPCE DS1103实时控制器的A/D采集端口，在PowerPC处理器中运行控制算法运算得到控制量信号，通过PWM输出模块直接输出频率固定占空比可变的控制信号。同时dSPACEDS1103实时控制器与上位机电脑进行数据传输，显示测得电压波形并实时更改控制器参数。控制器输出的PWM信号经驱动电路模块控制开关管实现对降压变换器的闭环控制，实现输出电压Vo对参考电压Vref的跟踪。以系统的电感电流iL、电容电压Vo为状态变量，依靠时间平均技术，考虑其开关特性、参数摄动、输入电压波动及负载突变等因素影响，建立系统的状态空间平均模型。
其中，C0、R0、L0和Vin0分别为降压变换器电路系统中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，Vo为系统实际输出电压，iL为通过电感的电流，u为系统控制量占空比信号，ΔC和ΔL为系统参数参数摄动，ΔR和ΔVin分别为变换器系统负载变化和输入电压波动。
步骤2：
如图2所示，在所建立的状态空间平均模型基础上，利用系统的输出电压Vo以及控制量u的信息，设计有限时间观测器，在实现电感电流估计的同时，实现对于系统参数摄动、输入电压波动和负载突变引起的集总干扰的估计。
将参数不确定及外界干扰项视为集总干扰，进行坐标变换，可以得到：
其中，
降压变换器的电压跟踪误差x1可以定义为：x1＝Vo-Vref，其中Vref为系统设定的参考电压值，Vo为系统的实际输出电压值。为了便于表达，定义一个新的状态变量则降压变换器系统的误差动态可以表示为：
其中，可视为变换器系统集总干扰。
基于以上所得到的降压变换器误差动态方程，根据高阶滑模理论，构造有限时间观测器，在实现对电路中电感电流的估计的同时，也将集总扰动一并估计。针对误差系统的有限时间观测器设计为：
其中，为变换器误差系统在集总干扰影响下电压跟踪误差x1的估计值，为变换器误差系统在集总干扰影响下状态x2的估计值，为变换器系统集总干扰D(t)的估计值，观测器参数K>0，v1、v2和v3为中间变量。
步骤3：
在有限时间观测器的基础上，设计无需系统电感电流信息的输出反馈滑模面S，滑模面的设计为：其中c1为控制滑模面收敛速度的参数，为变换器状态x2的估计值。对滑模变量S进行求导可得：
设计无电流传感器的连续滑模控制器：
其中，λ1>0,λ2>0为要设计的连续滑模控制器的控制器参数，t>0为控制器的积分时间。在此控制器作用下，直流降压变换器系统在无需电流传感器的条件下，闭环系统的输出电压同样可以实现对于参考输入电压的精确跟踪。
步骤4：
在完成有限时间观测器与连续滑模控制器的基础上，利用dSPACE DS1103实时控制器中的A/D采样模块，将直流降压变换器系统电压传感器采集的电压值转换为数字控制器可用的数字量信号。将连续滑模控制量通过dSPACEDS1103实时控制器提供的PWM输出模块输出，得到频率固定占空比可变的PWM驱动信号。将频率固定占空比可变的PWM信号连接到硬件电路中的PWM驱动电路，控制降压变换器的开关管，从而实现降压变换器的电压控制。
为了进一步验证本实例提出的基于有限时间观测器和连续滑模控制技术的直流降压变化系统控制的有效性，本实例中的实验平台是直流降压Buck变换器系统，基于dSPACE DS1103实时控制器的全数字控制实现方式，编程语言为MATLAB语言。系统的主要组成部分有由dSPACE公司的实时控制器为核心组成的控制器部分、由场效应管MOSFET为核心的直流降压变换器主电路部分，由负载功率电阻、霍尔电压传感器组成的测量电路部分。
为了验证本发明所设计的无电流传感器连续滑模控制方法的有效性，我们将本发明设计的控制器在实时控制器上进行了实现。首先考虑在系统不存在任何干扰的情况下，观察所设计的观测器能否准确快速的估计出电路系统的电感电流，验证输出电压的响应速度和跟踪精度。输入电压为50V，目标跟踪电压为30V，电路系统的参数见下表1。输出电压、电感电流估计效果和控制量的曲线如图3(a)-图3(c)所示。有限时间观测器可以迅速精确估计出实际的电感电流值，输出电压也可以迅速准确跟踪目标电压值，且从图3(c)中可以清晰看到，本发明所涉及的控制器是连续的，从而消除了传统滑模控制所具有的抖颤的缺点。
表1系统基本参数
| 描述 | 参数 | 标称数值 |
| 输入电压 | V<sub>in</sub> | 50V |
| 参考电压 | V<sub>ref</sub> | 30V |
| 电感 | L | 5*10<sup>-3</sup>H |
| 电容 | C | 1*10<sup>-3</sup>F |
| 负载电阻 | R | 20Ω |
当负载电阻从20Ω突变为40Ω时，输出电压、系统状态x2和控制量的曲线如图4(a)-图4(c)所示，基于无电流传感器的连续滑模控制方法(CSMC+FTDO)在负载改变后，输出电压经小幅波动后迅速恢复至30V，迅速抑制了负载干扰对于电路系统输出电压的影响。将输入电压从50V突变为60V时，输出电压、系统状态x2和控制量的曲线图如图5(a)-图5(c)所示，同样可以得到所提出的CSMC+FTDO控制算法可以有效抑制输入电压波动带来的影响。从图3(a)-图3(c)，图4(a)-图4(c)和图5(a)-图5(c)可以看出，本发明提出的算法在很大程度上在保证直流降压变换器系统快速性和准确性的同时，兼顾了系统成本的降低和容错性的提高。
本实施例将基于无电流传感器的连续滑模技术用于直流降压变换器系统的控制，实验结果表明本方法普适性强，在降压变换器系统存在参数摄动、输入电压波动及负载突变和无需电流传感器降低系统成本的情况下，系统能够及时对扰动进行抑制，提高系统输出电压的跟踪精度和速度，满足电力电子直流降压变换器系统在高性能高精度领域的应用。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种直流降压变换器的连续滑模无电流传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，分别以直流降压变换器的电容电压、电感电流为状态量，采用时间平均技术，同时考虑直流降压变换器参数摄动、输入电压波动和负载突变的影响，建立直流降压变换器的受扰状态空间平均模型；所述直流降压变换器的受扰状态空间平均模型为：
其中，Vo为电容电压，iL为电感电流，C0、R0、L0和Vin0分别为直流降压变换器中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，u为控制量占空比信号，ΔC和ΔL均为参数摄动，ΔR和ΔVin分别为负载突变和输入电压波动，t为时间；
步骤2，针对受扰状态空间平均模型，设计有限时间观测器，在估计电感电流的同时，估计由参数摄动、输入电压波动和负载突变引起的集总干扰；具体过程如下：
步骤21，在步骤1建立的受扰状态空间平均模型基础上，将参数摄动、输入电压波动和负载突变视为集总干扰，进行坐标变换：
其中，
步骤22，定义直流降压变换器的电压跟踪误差x1为：x1＝Vo-Vref，其中Vref为参考电压，定义状态变量则直流降压变换器的误差动态方程为：
其中，为直流降压变换器的集总干扰；
步骤23，基于步骤22得到的误差动态方程，根据高阶滑模理论，构造有限时间观测器：
其中，为电压跟踪误差x1的估计值，为状态变量x2的估计值，为集总干扰D(t)的估计值，观测器参数K>0，v1、v2和v3均为中间变量；
步骤3，在步骤2设计的有限时间观测器基础上，考虑无电流传感器和集总干扰的情况，基于连续滑模控制理论，设计复合连续滑模控制器；具体过程如下：
步骤31，在有限时间观测器基础上，设计无电流传感器的输出反馈滑模面S：其中c1为控制滑模面收敛速度的参数，对滑模面S进行求导，得到：
其中，
步骤32，设计无电流传感器的复合连续滑模控制器：
其中，λ1>0,λ2>0为复合连续滑模控制器的参数，t>0为控制器的积分时间；
步骤4，将根据步骤3复合连续滑模控制器得到的控制量经dSPACE实时控制器的PWM模块输出，产生PWM信号，通过实时改变PWM信号占空比，控制直流降压变换器的输出电压；具体过程如下：
步骤41，在得到的复合连续滑模控制器基础上，利用dSPACE实时控制器中的A/D采样模块，将直流降压变换器中的电压传感器采集到的电容电压即输出电压转换为数字信号；
步骤42，将复合连续滑模控制量经dSPACE实时控制器的PWM模块输出，得到频率固定占空比可变的PWM信号；
步骤43，利用频率固定占空比可变的PWM信号控制直流降压变换器的开关管，实现直流降压变换器的输出电压控制。
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