CN108718153B - 一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统及控制方法 - Google Patents

一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种Buck DC‑DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统及控制方法，包括：电压输入端分别连接同步Buck DC‑DC变换器输入端和二阶滑模控制器输入端，同步Buck DC‑DC变换器输出端分别连接电压输出端和二阶滑模控制器参考电压信号比较输入端，二阶滑模控制器开关信号输出端分别连接频率转换器信号输入端和同步Buck DC‑DC变换器开关信号输入端，频率转换器信号输出端连接频率控制器信号比较输入端，参考频率信号输入端也连接频率控制器信号比较输入端，频率控制器信号输出端连接二阶滑模控制器频率控制信号接收端。通过频率控制器对二阶滑模控制器中的磁滞参数δ进行实时调整控制，实现了稳定频率的技术效果。

Description

一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统及控制方法。
背景技术
大多数的DC-DC变换器通常使用PWM控制，其开关控制信号通过使用频率技术和小信号平均模型设计的补偿器来确定。一旦控制器设计是基于小信号平均模型，系统的动态性能只能在平衡点附近被确定，且补偿器中积分项的存在会导致系统对扰动的缓慢响应。
众所周知，滑模控制有较好的稳定性和鲁棒性。滑模控制能够在大信号和小信号下表征系统，并且对不确定性和扰动性有较好的鲁棒响应，在DC-DC变换器中有较为广泛的应用。传统的滑模控制需要输出电压信号和电感或电容电流信号。高阶滑模控制(HOSM)是传统滑模控制的扩展，二阶滑模控制(SOSM)属于高阶滑模控制的一种，一些二阶滑模控制算法仅仅需要输出电压信号，而不需要检测电感或者电容电流信号。
但是，由于开关频率取决于输入电压和输出电压间的相对大小，当输入电压或者输出电压改变时，二阶滑模控制是运行在可变频率下的，这会使得滤波器组件的设计变得困难，且难以应用在隔离变压器中。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种BuckDC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统及控制方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统，包括：电压输入端分别连接同步Buck DC-DC变换器输入端和二阶滑模控制器输入端，同步Buck DC-DC变换器输出端分别连接电压输出端和二阶滑模控制器参考电压信号比较输入端，二阶滑模控制器开关信号输出端分别连接频率转换器信号输入端和同步Buck DC-DC变换器开关信号输入端，频率转换器信号输出端连接频率控制器信号比较输入端，参考频率信号输入端也连接频率控制器信号比较输入端，频率控制器信号输出端连接二阶滑模控制器频率控制信号接收端。
上述技术方案的有益效果为：通过频率转换器获取二阶滑模控制器的频率参数，与参考频率信号进行比较，通过频率控制器对二阶滑模控制器中的磁滞参数δ进行实时调整控制，实现了稳定频率的技术效果，在二阶滑模有限状态机的应用领域，现有技术中系统是操作在可变的开关频率下，通过本发明的控制系统，在二阶滑模控制领域实现了固定频率控制效果，保证控制器中δ操作值根据频率状态进行实时调节。
所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统，优选的，所述频率转换器为PI控制器、PID控制器、PD控制器或者神经网络控制器。
本发明还公开一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，包括如下步骤：
S1，建立Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制模型；
S2，建立有限状态机二阶滑模控制器，分析系统运动轨迹以及磁滞参数对开关频率的影响；
S3，建立增加磁滞参数的有限状态机二阶滑模控制器，分析磁滞参数和开关频率的关系；
S4，设计固定频率的二阶滑模控制器对变换器开关频率进行有效控制。
所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，优选的，所述S1包括：
Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制控制结构框图由四部分组成，包括同步Buck DC-DC变换器、二阶滑模控制器、频率测量模块和PI控制器。其中，u 是二阶滑模控制器的输出，控制Buck DC-DC变换器开关。频率测量模块将开关门极信号u转化成频率信号fm,并将频率信号fm与参考频率fref进行比较产生误差信号e。 e为PI控制器的输入，PI控制器的输出δ控制二阶滑模控制器中的磁滞参数。
所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，优选的，所述S2包括：
S2-1，建立有限状态机二阶滑模控制器，定义滑模量s，二阶滑模面为有限状态机控制器由四个状态 和1个初始状态组成。状态为滑模量s≥0的一阶导数减小的系统运动轨迹，状态为滑模量s≥0的一阶导数增加的系统运动轨迹，状态为滑模量s＜0的一阶导数减小的系统运动轨迹，状态为滑模量s＜0的一阶导数增加的系统运动轨迹；
S2-2，当状态轨迹从状态出发后，变量sm将保存s的最小值。当满足s≥βsm后进入状态其中0＜β＜1，则βsm比sm更接近原点，在状态中，系统运动轨迹逐渐靠近横轴，变量sM将被连续更新，直到轨迹穿越横轴，穿越横轴后，轨迹将远离横轴，直到满足条件s-sm＞δ，系统状态切换到然后，按照同样的收敛过程，系统运动轨迹趋近于滑模面原点，其中，δ被称为磁滞参数，当δ趋近于零的时候，控制器运行在无限的操作频率下，在有限状态机中引入磁滞参数δ使系统工作在有限的开关频率下，控制磁滞参数δ能够控制开关频率。
所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，优选的，所述S3包括：
S3-1，采用S2所示的状态机结构，当磁滞参数δ趋近于零，在buck DC-DC变换器接近平衡点过程中，控制器开关频率将趋于无穷大，有限状态机中引入磁滞参数δ使系统工作在有限的开关频率下，即在状态轨迹从状态出发后，变量sm将保存s的最小值，当满足s≥βsm+δ后才进入状态
S3-2，在Buck DC-DC变换器中，实际的电压输出包含直流分量和交流分量；当开关开通时，电感电流呈指数上升；当开关关闭时，电感电流呈指数下降；电感电流iL(t)包含直流分量I和纹波分量；其中直流分量完全流经负载电阻R，在设计良好的变换其中，几乎所有的电感电流纹波都流经电容；当电容电流iC(t)为正，电荷堆积到电容器极板上，电容电压VC(t)上升；输出电压纹波的增加会导致开关频率的减小。
所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，优选的，所述S4包括：
控制器的输入量为e，是实际开关频率和参考频率之差，实际开关频率由频率测量模块将门极信号u转化成频率信号fm，fref为参考频率信号
e＝fm-fref
控制器输出量为δ(t)，其控制算法为
式中，Kp为比例系数，Ti是积分时间常数；其中Ki＝Kp/Ti。控制器的输出δ用来控制二阶滑模控制器中的磁滞参数；所述S2和S3中，磁滞参数δ将相平面原点处的轨迹调整为极限环，调节磁滞参数δ来控制开关频率，且开关频率随着δ的增大而减小。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.所述的控制方法继承了二阶滑模控制的优点，能够在不需要积分项和不用检测电感电流的情况下，在不确定性和扰动下有较好的鲁棒性。
2.通过控制磁滞参数，提出的控制器在一定范围内的电源电压和输出电压下，能够控制开关频率稳定在参考频率附近，简化了滤波器组件的设计。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统结构框图；
图2为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统的电路图；
图3为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统示意图；
图4是本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统轨迹；
图5是本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统增加磁滞参数的二阶滑模控制器；
图6本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统开关信号和电感电流波形图；
图7为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统输出电容电压和电容电流波形图；
图8为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统PI控制框图；
图9本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统开关频率响应曲线；
图10(a)(b)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统开关频率扰动响应曲线；
图11(a)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统不加本发明控制系统时，开关频率在不同输入电压下的变化曲线。
图11(b)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统加本发明控制系统时，开关频率在不同输入电压下的变化曲线。
图12(a)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法不加本发明控制系统时，开关频率在不同输出电压下的变化曲线。
图12(b)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法加本发明控制系统时，开关频率在不同输出电压下的变化曲线。
图13为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明建立了Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制模型。建立有限状态机二阶滑模控制器，分析系统运动轨迹以及磁滞参数对开关频率的影响。建立增加磁滞参数的有限状态机二阶滑模控制器，分析磁滞参数和开关频率的关系。设计固定频率的二阶滑模控制器对变换器开关频率进行有效控制。
图1为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法控制结构框图，
Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制控制结构框图由四部分组成，包括同步Buck DC-DC变换器、二阶滑模控制器、频率测量模块和PI控制器。其中，u 是二阶滑模控制器的输出，控制Buck DC-DC变换器开关。频率测量模块将开关门极信号u转化成频率信号fm,,并将频率信号fm与参考频率fref进行比较产生误差信号e。 e为PI控制器的输入，PI控制器的输出δ控制二阶滑模控制器中的磁滞参数。
包括：电压输入端分别连接同步Buck DC-DC变换器输入端和二阶滑模控制器输入端，同步Buck DC-DC变换器输出端分别连接电压输出端和二阶滑模控制器参考电压信号比较输入端，二阶滑模控制器开关信号输出端分别连接频率转换器信号输入端和同步BuckDC-DC变换器开关信号输入端，频率转换器信号输出端连接频率控制器信号比较输入端，参考频率信号输入端也连接频率控制器信号比较输入端，频率控制器信号输出端连接二阶滑模控制器频率控制信号接收端。
上述技术方案的有益效果为：通过频率转换器获取二阶滑模控制器的频率参数，与参考频率信号进行比较，通过频率控制器对二阶滑模控制器中的磁滞参数δ进行实时调整控制，实现了稳定频率的技术效果，在二阶滑模有限状态机的应用领域，现有技术中系统是操作在可变的开关频率下，通过本发明的控制系统，在二阶滑模控制领域实现了固定频率控制效果，保证控制器中δ操作值根据频率状态进行实时调节。
图2为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法Buck变换器的电路图，Buck DC-DC变换器方程表示为：
其中，u的范围是{0,1}是控制输入。滑模变量s定义为输出电压和参考电压之差
s＝Vo-Vref (2)
滑模量s的一阶导数为：
滑模量s的二阶导数为：
图3为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法有限状态机二阶滑模控制器。定义滑模变量s，二阶滑模面为有限状态机控制器由四个状态和1个初始状态组成。状态和对应了滑模量s≥0, 状态和对应了滑模量s＜0。状态和对应了滑模量一阶导数减小的系统运动轨迹，状态和对应了滑模量一阶导数增加的系统运动轨迹。
图4是本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法有限状态机二阶滑模控制器轨迹。当状态轨迹从状态出发后，变量sm将保存s的最小值。当满足 s≥βsm后进入状态其中0＜β＜1，则βsm比sm更接近原点。在状态中，系统运动轨迹逐渐靠近横轴，变量sM将被连续更新，直到轨迹穿越横轴。穿越横轴后，轨迹将远离横轴，直到满足条件s-sm＞δ，系统状态切换到然后，按照同样的收敛过程，系统运动轨迹趋近于滑模面原点。其中，δ被称为磁滞参数，当δ趋近于零的时候，控制器理论上运行在无限的操作频率下，在有限状态机中引入磁滞参数δ能够使系统工作在有限的开关频率下，控制磁滞参数δ能够控制开关频率。
图5是本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法增加磁滞参数的二阶滑模控制器。采用步骤2所示的状态机结构，当磁滞参数δ趋近于零，在buck 变换器接近平衡点过程中，控制器开关频率将趋于无穷大。我们在有限状态机中引入磁滞参数δ能够使系统工作在有限的开关频率下。即在状态轨迹从状态出发后，变量sm将保存s的最小值，当满足s≥βsm+δ后才进入状态
图6为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法Buck变换器开关信号和电感电流波形图。当开关开通时，电感电流呈指数上升。当开关关闭时，电感电流呈指数下降。电感电流iL(t)包含直流分量I和纹波分量。
图7为为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法Buck变换器输出电容电压和电容电流波形图。电感电流中直流分量完全流经负载电阻R，在设计良好的变换其中，几乎所有的电感电流纹波都流经电容。当电容电流iC(t)为正，电荷堆积到电容器极板上，电容电压VC(t)上升。输出电压纹波的增加会导致开关频率的减小。
在二阶滑模控制器中，当系统到达稳态的时候，适当的磁滞参数δ将相平面原点处的轨迹调整为极限环。输出电压纹波由磁滞参数δ确定，并且随着δ的增加而增加。调节磁滞参数δ来控制开关频率，开关频率随着δ的增大而减小。开关频率和磁滞参数间关系复杂，较难获得其精确的数学模型。
图8为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法PI控制框图，在电力电子设计中，PI控制是基本的控制算法。控制器的参数影响着控制性能，且对控制系统模型没有严格的要求。
本系统中PI控制器的输入量为e，是实际开关频率和参考频率之差，实际开关频率由频率测量模块将门极信号u转化成频率信号fm，
e＝fm-fref (5)
控制器输出量为δ，其控制算法为
式中，Kp为比例系数，Ti是积分时间常数；其中Ki＝Kp/Ti。控制器的输出δ用来控制二阶滑模控制器中的磁滞参数。所述步骤2和步骤3中，适当的磁滞参数δ将相平面原点处的轨迹调整为极限环。调节磁滞参数δ来控制开关频率，且开关频率随着δ的增大而减小。
常规PI控制器的控制参数为Kp、Ki，从系统的稳定性、响应速度、超调量及稳态精度等方面综合考虑PI控制器三个控制参数Kp、Ki的选取。一旦系统偏离，通过调整比例环节Kp来减少偏差，适当的积分参数Ki能够消除稳态误差。
图9为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制器方法开关频率响应曲线。当输入电压为5V,输出电压为1.5V时，开关频率趋近于参考频率，开关频率和参考频率间的误差也趋近于零。
图10(a)(b)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制器方法开关频率扰动响应曲线，在输入电压和输出电压扰动下，开关频率能够被调整到参考频率。
图11(a)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制器方法不加本控制时，开关频率在不同输入电压下的变化曲线。当输入电压从5V-10V，磁滞参数δ取值为2mv时，开关频率有较大的变化，变化范围为104.6kHz-140kHz，开关频率的百分比变化约为35.4％。
图11(b)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制器方法加本控制时，开关频率在不同输入电压下的变化曲线。当输入电压从5V-10V时，参考频率为100kHz，开关频率变化范围为99.5kHz-100.6kHz，开关频率的百分比变化只有1％。
图12(a)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法不加本控制时，开关频率在不同输出电压下的变化曲线。当输出电压从1.25V-2.5V变化时，开关频率有较大的变化，变化范围为108kHz-186kHz，开关频率的百分比变化约为 78％。
图12(b)为本发明Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法加本控制时，开关频率在不同输出电压下的变化曲线。当输出电压从1.25V-2.5V变化时，参考频率为100kHz，开关频率变化范围为99.5kHz-100.5kHz，开关频率的百分比变化只有2％。
上述技术方的有益效果为：
1.所述的控制方法继承了二阶滑模控制的优点，能够在不需要积分项和不用检测电感电流的情况下，在不确定性和扰动下有较好的鲁棒性。
2.通过控制磁滞参数，提出的控制器在一定范围内的电源电压和输出电压下，能够控制开关频率稳定在参考频率附近，简化了滤波器组件的设计。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员能够理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下能够对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统，其特征在于，包括：
电压输入端分别连接同步Buck DC-DC变换器输入端和二阶滑模控制器输入端，同步Buck DC-DC变换器输出端分别连接电压输出端和二阶滑模控制器参考电压信号比较输入端，二阶滑模控制器开关信号输出端分别连接频率转换器信号输入端和同步Buck DC-DC变换器开关信号输入端，频率转换器信号输出端连接频率控制器信号比较输入端，参考频率信号输入端也连接频率控制器信号比较输入端，频率控制器信号输出端连接二阶滑模控制器频率控制信号接收端。
2.根据权利要求1所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制系统，其特征在于，所述频率控制器为PI控制器、PID控制器、PD控制器或者神经网络控制器。
3.一种Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，建立Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制模型；
所述S1包括：
Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制模型由四部分组成，包括同步Buck DC-DC变换器、二阶滑模控制器、频率测量模块和PI控制器；其中，u是二阶滑模控制器的输出，控制Buck DC-DC变换器开关；频率测量模块将开关门极信号u转化成频率信号fm，并将频率信号fm与参考频率fref进行比较产生误差信号e；e为PI控制器的输入，PI控制器的输出δ控制二阶滑模控制器中的磁滞参数；
S2，建立有限状态机二阶滑模控制器，分析系统运动轨迹以及磁滞参数对开关频率的影响；
S3，建立增加磁滞参数的有限状态机二阶滑模控制器，分析磁滞参数和开关频率的关系；
S4，设计固定频率的二阶滑模控制器对变换器开关频率进行有效控制；
所述S4包括：PI控制器的输入量为e，是实际开关频率和参考频率之差，实际开关频率由频率测量模块将门极信号u转化成频率信号fm，fref为参考频率信号
e＝fm-fref
PI控制器输出量为δ(t)，其控制算法为
式中，Kp为比例系数，Ti是积分时间常数；其中Ki＝Kp/Ti；PI控制器的输出δ用来控制二阶滑模控制器中的磁滞参数；所述S2和S3中，磁滞参数δ将相平面原点处的轨迹调整为极限环，调节磁滞参数δ来控制开关频率，且开关频率随着δ的增大而减小。
4.根据权利要求3所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，其特征在于，所述S2包括：
S2-1，建立有限状态机二阶滑模控制器，定义滑模量s，二阶滑模面为有限状态机控制器由四个状态和1个初始状态组成；状态为滑模量s≥0的一阶导数减小的系统运动轨迹，状态为滑模量s≥0的一阶导数增加的系统运动轨迹，状态为滑模量s＜0的一阶导数减小的系统运动轨迹，状态为滑模量s＜0的一阶导数增加的系统运动轨迹；
S2-2，当状态轨迹从状态出发后，变量sm将保存s的最小值；当满足s≥βsm后进入状态其中0＜β＜1，则βsm比sm更接近原点，在状态中，系统运动轨迹逐渐靠近横轴，变量sM将被连续更新，直到轨迹穿越横轴，穿越横轴后，轨迹将远离横轴，直到满足条件s-sm＞δ，系统状态切换到然后，按照同样的收敛过程，系统运动轨迹趋近于滑模面原点，其中，δ被称为磁滞参数，当δ趋近于零的时候，控制器运行在无限的操作频率下，在有限状态机中引入磁滞参数δ使系统工作在有限的开关频率下，控制磁滞参数δ能够控制开关频率。
5.根据权利要求3所述的Buck DC-DC变换器固定频率的二阶滑模控制方法，其特征在于，所述S3包括：
S3-1，采用S2所示的状态机结构，当磁滞参数δ趋近于零，在buck DC-DC变换器接近平衡点过程中，控制器开关频率将趋于无穷大，有限状态机中引入磁滞参数δ使系统工作在有限的开关频率下，即在状态轨迹从状态出发后，变量sm将保存s的最小值，当满足s≥βsm+δ后才进入状态
S3-2，在Buck DC-DC变换器中，实际的电压输出包含直流分量和交流分量；当开关开通时，电感电流呈指数上升；当开关关闭时，电感电流呈指数下降；电感电流iL(t)包含直流分量I和纹波分量；其中直流分量I完全流经负载电阻R，在设计良好的变换器中，几乎所有的电感电流纹波都流经电容；当电容电流iC(t)为正，电荷堆积到电容器极板上，电容电压VC(t)上升；输出电压纹波的增加会导致开关频率的减小。
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