CN110994985A - 开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法 - Google Patents

开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，步骤包括：测量输出电压和电感电流，确定虚拟控制量，Levent滤波环节，确定可控开关占空比。本发明所提控制方法在反步递推过程中引入Levent滤波器，从而避免了对虚拟控制量的微分，保证了开关电源的安全稳定运行，减小了计算负担，并且为实现变换器闭环系统有限时间稳定，在设计的虚拟控制量和可控开关占空比中增加分数幂项，提高了输出电压响应速度，改善了系统控制性能。

Description

开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器的控制方法，尤其是一种开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法。
背景技术
开关电源由于其转换效率高、体积小等优势，在电力电子设备中得到广泛应用。Buck变换器是开关电源的核心部件，研究Buck变换器高性能控制方法，是改善开关电源的动态响应速度和控制精度的关键途径。但Buck变换器是典型的非线性系统，基于线性模型的PI控制难以获得良好的控制效果。因而，研究Buck变换器的高性能非线性控制策略，是当前重要研究方向。
反步法作为一种新型的非线性控制方法，使用虚拟控制变量将原来的高阶系统分解为若干个子系统。其控制器结构简单，稳态跟踪误差小，适用于Buck变换器的控制。但Buck变换器在反步控制下，输出电压动态响应速度慢，控制器中微分项有可能导致Buck变换器系统失稳，这限制了反步控制在开关电源中的应用。
发明内容
本发明提出了一种开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其目的是：解决反步控制下Buck变换器输出电压响应速度慢和控制器中微分项导致系统失稳的问题。
本发明技术方案如下：
一种开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，步骤为：
(一)获取Buck变换器元件参数和输入电压Vin，测量输出电压Vo和电感电流iL，建立Buck变换器的状态空间平均模型；
(二)根据测量的输出电压Vo和输出电压参考值
Figure BDA0002331279700000021
使用电压环反步控制器，确定虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000022
(三)使虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000023
通过滤波器环节，得到期望的电感电流
Figure BDA0002331279700000024
(四)根据期望的电感电流
Figure BDA0002331279700000025
和测量的电感电流iL，使用电流环反步控制器，确定可控开关的占空比u，最后根据该占空比生成驱动可控开关的调制信号，实现Buck变换器电压控制。
作为该方法的进一步改进：步骤(一)中的状态空间平均模型为：
Figure BDA0002331279700000026
其中，L是Buck变换器的滤波电感，R是负载电阻，C是直流侧电容；
Figure BDA0002331279700000027
是扰动量，且满足
Figure BDA0002331279700000028
ρ是确定的正常数。
作为该方法的进一步改进：步骤(二)中，确定虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000029
的具体方法为：
定义输出电压跟踪误差
Figure BDA00023312797000000210
设计电压环反步控制器，确定虚拟控制量
Figure BDA00023312797000000211
为：
Figure BDA00023312797000000212
其中控制器参数s1＞0,0＜κ＜1。
作为该方法的进一步改进：步骤(三)中，所述滤波器环节定义如下：
Figure BDA0002331279700000031
其中，sign是符号函数，r1和r2为滤波参数，
Figure BDA0002331279700000032
为中间变量；将虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000033
作为滤波器的输入信号，进而得到滤波器输出
Figure BDA0002331279700000034
和
Figure BDA0002331279700000035
作为该方法的进一步改进：r1和r2大于200。
作为该方法的进一步改进：步骤(四)中，确定可控开关的占空比u的具体方法为：
定义电感电流跟踪误差
Figure BDA0002331279700000036
设计电流环反步控制器，确定可控开关的占空比u为：
Figure BDA0002331279700000037
其中控制器参数s2＞0。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：(1)本方法使得输出电压跟踪误差在有限时间内趋于零，大幅度提高了系统响应速度，具有良好的控制精度；(2)本方法的滤波器，可以避免虚拟控制量进行微分求解，减小了计算量，保证了开关电源设备安全稳定运行；(3)在设计的虚拟控制量和可控开关占空比中增加分数幂项，提高了输出电压响应速度，改善了系统控制性能；(4)本发明结构简单，易于实现，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明所提Buck变换器控制方法流程框图。
图2为本发明所提Buck变换器控制方法的控制框图，框图中还包含了Buck变换器的电路结构。
图3为Buck变换器启动阶段输出电压响应波形。
图4为Buck变换器输出电压参考值突变时输出电压响应波形。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
一种开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，如图1和2，步骤包括：
步骤一：获取Buck变换器元件参数和输入电压Vin，测量输出电压Vo和电感电流iL，建立Buck变换器的状态空间平均模型：
Figure BDA0002331279700000041
其中，L是滤波电感，C是直流侧电容，R是负载电阻，u是可控开关的占空比；
Figure BDA0002331279700000042
是扰动量，且满足
Figure BDA0002331279700000043
ρ是确定的正常数。
步骤二：根据测量的输出电压Vo和输出电压参考值
Figure BDA0002331279700000044
设计电压环反步控制器，确定虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000045
根据反步法的递推设计理念，定义输出电压跟踪误差
Figure BDA0002331279700000046
电感电流跟踪误差
Figure BDA0002331279700000047
是正常数。期望的电感电流
Figure BDA0002331279700000048
是虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000049
作为所构建的Levent滤波器的输入时、Levent滤波器的输出信号。
首先，选取第一个李雅普诺夫函数
Figure BDA0002331279700000051
根据公式(1)和定义的系统误差，对V1求导得到：
Figure BDA0002331279700000052
为实现输出电压的快响应，设计电压环反步控制器，确定虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000053
为：
Figure BDA0002331279700000054
其中控制器参数s1＞0,0＜κ＜1。根据(2)和(3)，
Figure BDA0002331279700000055
可重写为：
Figure BDA0002331279700000056
步骤三：所述步骤二中虚拟控制量
Figure BDA0002331279700000057
通过Levent滤波器环节，得到期望的电感电流
Figure BDA0002331279700000058
首先，定义Levent滤波器如下：
Figure BDA0002331279700000059
其中，sign是符号函数，
Figure BDA00023312797000000510
为中间变量。将虚拟控制量
Figure BDA00023312797000000511
作为滤波器的输入信号，进而得到滤波器输出
Figure BDA00023312797000000512
和
Figure BDA00023312797000000513
定义为期望的电感电流。选取足够大的滤波参数r1,r2(优选的，r1和r2均大于200。)，可以使得滤波器在有限时间内满足
Figure BDA00023312797000000514
由上述分析可知，
Figure BDA00023312797000000515
也是滤波器的直接输出，避免了传统反步控制中的微分运算，解决了采用微分运算会大幅度放大噪声，容易造成系统失稳的问题。
步骤四：根据所述的电感电流参考值
Figure BDA0002331279700000061
和测量的电感电流iL，设计电流环反步控制器，确定可控开关的占空比u。
选取整个系统的李雅普诺夫函数
Figure BDA0002331279700000062
根据公式(1)和定义的系统误差，对V求导得到：
Figure BDA0002331279700000063
为实现闭环系统误差快速趋于零，设计电流环反步控制器，确定可控开关的占空比u：
Figure BDA0002331279700000064
其中控制器参数s2＞0。根据(4)和(5)，
Figure BDA0002331279700000065
可写为：
Figure BDA0002331279700000066
上式中a＝min{2βs1,2βs2},β＝(1+κ)/2。根据有限时间稳定性原理，Buck变换器的输出电压可实现良好的动态响应能力，具有一定的鲁棒性。
根据所述可控开关的占空比u，生成驱动开关导通和关断控制的调制信号，最终实现Buck变换器的输出电压控制。
为了进一步阐述所提控制方法的有效性，在Matlab中搭建了系统仿真模型，进行仿真研究。
如图2，Buck变换器参数选择为滤波电感L＝2mH，负载电阻R＝20Ω，直流电容C＝750μF。
图3是在Buck变换器启动阶段时，输出电压响应波形。图4为Buck变换器当输出电压参考值从20V突变到30V时，输出电压响应波形。
仿真结果表明，本发明所提Buck变换器控制方法的响应速度快，是传统反步控制的2倍以上，保障了开关电源高效运行。
从上述分析可知，本发明所提控制方法不仅解决了反步控制中存在的对虚拟控制量求导造成系统失稳的问题，还大幅度提高了输出电压的动态响应速度，控制精度高，达到了预期控制效果。
以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例。应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本发明的实质保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其特征在于步骤为：
(一)获取Buck变换器元件参数和输入电压Vin，测量输出电压Vo和电感电流iL，建立Buck变换器的状态空间平均模型；
(二)根据测量的输出电压Vo和输出电压参考值
Figure FDA0002331279690000011
使用电压环反步控制器，确定虚拟控制量
Figure FDA0002331279690000012
(三)使虚拟控制量
Figure FDA0002331279690000013
通过滤波器环节，得到期望的电感电流
Figure FDA0002331279690000014
(四)根据期望的电感电流
Figure FDA0002331279690000015
和测量的电感电流iL，使用电流环反步控制器，确定可控开关的占空比u，最后根据该占空比生成驱动可控开关的调制信号，实现Buck变换器电压控制。
2.如权利要求1所述的开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其特征在于：步骤(一)中的状态空间平均模型为：
Figure FDA0002331279690000016
其中，L是Buck变换器的滤波电感，R是负载电阻，C是直流侧电容；
Figure FDA0002331279690000017
是扰动量，且满足
Figure FDA0002331279690000018
ρ是确定的正常数。
3.如权利要求2所述的开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其特征在于：步骤(二)中，确定虚拟控制量
Figure FDA0002331279690000019
的具体方法为：
定义输出电压跟踪误差
Figure FDA00023312796900000110
设计电压环反步控制器，确定虚拟控制量
Figure FDA00023312796900000111
为：
其中控制器参数s1＞0,0＜κ＜1。
4.如权利要求3所述的开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其特征在于：步骤(三)中，所述滤波器环节定义如下：
Figure FDA0002331279690000022
其中，sign是符号函数，r1和r2为滤波参数，
Figure FDA0002331279690000023
为中间变量；将虚拟控制量
Figure FDA0002331279690000024
作为滤波器的输入信号，进而得到滤波器输出
Figure FDA0002331279690000025
和
Figure FDA0002331279690000026
5.如权利要求4所述的开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其特征在于：r1和r2大于200。
6.如权利要求4或5所述的开关电源Buck变换器的快响应滤波反步控制方法，其特征在于：步骤(四)中，确定可控开关的占空比u的具体方法为：
定义电感电流跟踪误差
Figure FDA0002331279690000027
设计电流环反步控制器，确定可控开关的占空比u为：
Figure FDA0002331279690000028
其中控制器参数s2＞0。
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