CN110572036A - 串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法，本发明在两模块移相全桥输入串联输出并联需要控制均压均流时，为了使串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构更加稳定和对电路结构中输入电压，输出电压和输出电流等参数更加敏感，提出了一种两个电流内环，电压外环以及和输入均压前馈环节耦合的三环控制方法，同时提出电流内环采用滑模变结构控制时，提高了串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的动态性能和鲁棒性。

Description

串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器控制系统，具体说是一种基于两模块移相全桥串入并出DC/DC变换器的三环滑模变结构控制方法。
背景技术
社会信息化和工业化的发展得益于对电能的良好利用。而如何更高效更便捷地使用电能也成为人们关注的研究热点之一。电力电子技术是一门使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，电力电子变换器是指对电能进行变换和控制的电路系统。随着电力电子器件的研究和生产，电力电子变换器也得到了迅速的发展。电能包括直流和交流两种，所以电力电子变换器包括直流/直流变换器，直流/交流变换器；交流/直流变换器和交流/交流变换器。电力电子变换器只有使用不同的拓扑结构才能达到不同电能变换和控制的目的。本发明基于DC/DC(直流/直流)变换器。DC/DC变换器有很多种类型，其中移相全桥变换器以移相全桥逆变、变压器隔离和二极管整流的形式由于其适用于大功率，容易控制等优点占据主要地位。在地铁辅助供电，航天器供电电源等高输入电压大功率变换的场合，如果使用单个的移相全桥变换器会对开关器件的耐压耐流等能力要求较高，对变压器的容量体积等要求也较高，这样不利于系统的体积减小和成本降低，并且以目前的开关器件的耐受能力也不一定能达到系统的要求。因此，常采用模块化的串并联组合以达到要求，常见的为移相全桥串入并出(ISOP)结构。两模块的移相全桥串入并出变换器如下图1所示。
如图1所示，该变换器由两个移相全桥模块输入串联输出并联构成。但仅仅有上述的电路结构并不能使其达到系统的指标需求，常常采用一定的控制结构才可以使系统稳定。
常见的电力电子变换器的控制系统结构如上图2所示，采样输出电流和输出电压之后经过AD转换成数字信号，在经过数字PI控制算法运算后产生移相控制PWM脉冲，该脉冲控制移相全桥开关器件的工作规律以使系统的输出电压和电流达到要求。实现的方法一般是先计算出图1所示的电路结构的数学模型，根据数学模型计算出该电路的传递函数，分析该系统的开环稳定性，然后根据自动控制理论的知识加入PI控制器，使其成为一个可以自动调节至稳定的闭环控制系统。但由于该系统的输入串联输出并联结构，因此需要考虑到该系统的输入均压和输出均流的控制，需要对应的控制算法。
现有技术一：图3为输入均压控制框图，对于图1中的电路，只要保证其中一个模块的输入电容电压为Uin/2，就实现了输入分压电容上的电压均压。选择与输入电源共地的电容Cin2的电压作为受控对象，保证其电压为Uin/2。图3给出了输入均压控制框图。输出电压调节器的输出信号uo_EA与输入均压调节器的输出信号ucd_EA相加后与锯齿波URAMP1交截，产生1#模块的占空比信号；uo_EA与ucd_EA相减后与锯齿波URAMP2交截，产生2#模块的占空比信号。两锯齿波通过外同步电路相差180°，以实现两模块的交错控制。
现有技术一的缺点：该控制系统实际设计参数的时候，需要将该系统的小信号模型中的输入均压环和输出电压环去耦合之后才能进行控制参数的设计，存在一定的复杂性。
现有技术二：图4为两模块输入串联输出并联系统的相同移相角控制模型，控制系统的外环为输出电压和给定电压作差后经过PI控制器，内环为两个模块的电流之和外环的输出作差后经过PI控制器运算后，通过比较器给出两个模块的移相控制脉冲，使得系统达到稳定。
现有技术二的缺点：该控制系统与传统的双闭环控制系统没有很大差别，且必须在经过现有技术降低两模块硬件上的差别后才能保证控制的精确性。换而言之，该控制方法需要保证两个模块的变压器的变比和变压器的漏感等参数几乎相同，才能保证系统的稳态均压均流精度；需要控制两个模块的输入电容几乎一致的时候，才能保证系统的动态均压均流精度，而实际上，当这些保证的时候，也就几乎不存在系统的均压均流问题，所以，该控制方法并不能全部解决串入并出系统电压和电流的平均问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法。
本发明的目的如下：
(1)、在两模块移相全桥输入串联输出并联需要控制均压均流时，为了使串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构更加稳定和对电路结构中输入电压，输出电压和输出电流等参数更加敏感，提出了一种两个电流内环，电压外环以及和输入均压前馈环节耦合的三环控制方法。
(2)、提出电流内环采用滑模变结构控制时，提高了串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的动态性能和鲁棒性。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提出了一种两个电流内环，电压外环以及和输入均压前馈环节耦合的三环控制结构，并且在电流内环采用滑模变结构控制提高串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的动态性能。
串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法，包括如下步骤：
步骤1：分别采集两个DC/DC变换器的输入电压信号、两个DC/DC变换器的输出电流信号；采集串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压；
步骤2：将串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压和参考电压作为电压外环的输入，串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压和参考电压做差，然后经过PI控制器的调节，得到电压外环的输出电压；
步骤3：将步骤1采集的两个DC/DC变换器的输入电压信号作差，经过比例环节调节后，得到一正一负的K值分别与电压外环的输出电压相加作为电流内环的给定；
步骤4：将步骤1采集的两个DC/DC变换器的输出电流信号与电流内环的给定做差后，经过相应的滑模变结构控制器1、滑模变结构控制器2，分别产生移相控制脉冲1、移相控制脉冲1，分别用于控制两个DC/DC变换器。
在上述方案的基础上，所述K值通过试凑法使得两个DC/DC变换器输入电压信号差值在固定的范围值之内波动即可。
在上述方案的基础上，所述固定的范围值为(-1,1)。
K值选取
为了很好地控制两个模块输入电压的平均，这里给输出电压环的调节值加一个采用两个输入电压的差值经过K值放大后的数值。K值的大小直接影响到串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的稳定，这里K值通过试凑法使得两输入电压差值在一个固定的范围值之内波动即可。仿真的时候当其他参数确定的时候，仅仅改变K值，当发现两个差值在例如(-1,1)之间波动的时候即可确定。
滑模变结构控制器设计
滑模变结构控制器1、滑模变结构控制器2分别用在两个DC/DC变换器的电流内环，以提高串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的动态性能。在所有元器件可以进行理想模型建立的时候，做一些控制系统的结构设计。
首先应该根据状态空间平均法建立该串入并出系统的等效的小信号模型，得到关于状态变量输入电容电压，输出电感电流；输入变量；输出变量等的数学模型。切换函数可以选取电感电流误差与误差积分的线性组合，设置一个待定系数。
然后在确认滑动模态存在的情况下，满足到达条件，切换面以外的相轨迹将于有限时间内到达切换面，切换面是滑动模态区且滑模运动渐进稳定，即可达到良好的动态品质。
最后，由于理想的滑模控制是不存在的，由于执行机构会存在一定的延迟或惯性，导致抖振现象发生。为了消弱抖振现象，可以采用指数趋近率使得串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构在滑动模态区尽快的趋近稳定，并且使其靠近滑模面时速度小从而使系统鲁棒性较强。计算出基于指数趋近的滑模等效控制后，确定待定系数的值即可得到两个电流内环的滑模变结构控制器。
本发明的有益效果：
(1)、基于两个电流内环，电压外环以及和输入均压前馈环节耦合的三环控制结构，使得系统达到了输入均压和输出均流的目的，由于电路中的各个参数都对控制系统产生反应，因此该系统动态性能好，加入电流内环的控制也使得系统更加稳定。
(2)、基于滑模变结构控制算法在电流控制内环中的应用，使得系统具有更好的动态性能。
本发明的技术关键点和欲保护点：
(1)在两模块移相全桥串入并出移相全桥变换器中，将两个电流内环，电压外环以及和输入均压前馈环节耦合的三环控制结构作为控制方案；
(2)利用滑模变结构控制方法作为两个电流内环的控制器。
附图说明
本发明有如下附图：
图1两模块移相全桥串入并出DC/DC变换器示意图。
图2控制系统结构示意图。
图3输入均压控制框图。
图4相同移相角控制系统仿真模型示意图。
图5基于两模块移相全桥串入并出DC/DC变换器的三环滑模控制结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图5对本发明作进一步详细说明。
一种串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法，包括如下步骤：
步骤1：分别采集两个DC/DC变换器的输入电压信号、两个DC/DC变换器的输出电流信号；采集串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压；
步骤2：将串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压和参考电压作为电压外环的输入，串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压和参考电压做差，然后经过PI控制器的调节，得到电压外环的输出电压；
步骤3：将步骤1采集的两个DC/DC变换器的输入电压信号作差，经过比例环节调节后，得到一正一负的K值分别与电压外环的输出电压相加作为电流内环的给定；
步骤4：将步骤1采集的两个DC/DC变换器的输出电流信号与电流内环的给定做差后，经过相应的滑模变结构控制器1、滑模变结构控制器2，分别产生移相控制脉冲1、移相控制脉冲1，分别用于控制两个DC/DC变换器。
在上述方案的基础上，所述K值通过试凑法使得两个DC/DC变换器输入电压信号差值在固定的范围值之内波动即可。
在上述方案的基础上，所述固定的范围值为(-1,1)。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：分别采集两个DC/DC变换器的输入电压信号、两个DC/DC变换器的输出电流信号；采集串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压；
步骤2：将串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压和参考电压作为电压外环的输入，串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构的输出电压和参考电压做差，然后经过PI控制器的调节，得到电压外环的输出电压；
步骤3：将步骤1采集的两个DC/DC变换器的输入电压信号作差，经过比例环节调节后，得到一正一负的K值分别与电压外环的输出电压相加作为电流内环的给定；
步骤4：将步骤1采集的两个DC/DC变换器的输出电流信号与电流内环的给定做差后，经过相应的滑模变结构控制器1、滑模变结构控制器2，分别产生移相控制脉冲1、移相控制脉冲1，分别用于控制两个DC/DC变换器。
2.如权利要求1所述的串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法，其特征在于，所述K值通过试凑法使得两个DC/DC变换器输入电压信号差值在固定的范围值之内波动。
3.如权利要求2所述的串入并出移相全桥变换器三环滑模变结构控制方法，其特征在于，所述固定的范围值为-1～1。
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