CN111600469A - 一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，包括以下步骤：S1、基于DC‑DC Buck变换器得到平均数学模型，得出状态表达式和误差动态方程；S2、设计电流受限有限时间控制器，将DC‑DC Buck变换器控制输入μ带入误差动态方程中；S3、设计自适应电流受限有限时间控制器。该发明的优点在于：本发明采用有限时间控制算法，因为可以实现电压的快速追踪，提高收敛速度，同时还可以提高系统的鲁棒性。由于采用了电流受限，因此可以保证电流控制在一定范围内，保护电路不会因电流过大而损坏。

Description

一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法。

背景技术

直流Buck变换器是一种重要的电力电子设备，广泛应用于不间断电源、直流电机驱动器等设备，需要最优的有效功率转换。目前，DC-DC Buck变换器正在高效率和高功率密度下发展，其应用更加广泛。各种新拓扑的引入和先进控制策略的应用将使DC-DC变换器具有更好的发展前景.

由于需要快速跟踪输出电压到参考电压，电路中可能存在过电流问题。因此，为了约束电流，防止电路元件损坏，必须采取一些有效的措施。传统的方法是在变换器电路中增加一个保护电路。虽然效果显著提高，但这不仅会增加成本，而且会降低效率。

发明内容

为了在避免增加成本且不会降低效率的前提下约束电流，为此，本发明提供一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法。本发明采用以下技术方案：

一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，包括以下步骤：S1、基于DC-DC Buck变换器得到平均数学模型，得出状态表达式和误差动态方程；S2、设计电流受限有限时间控制器，将DC-DC Buck变换器控制输入μ带入误差动态方程中；S3、设计自适应电流受限有限时间控制器。

具体地说，步骤S1具体如下：

得到的状态空间表达式为：

其中V_in是DC-DC Buck变换器输入电压，V_o是DC-DC Buck变换器输出电压，

是对V_o求导，i_L是DC-DC Buck变换器的电感电流，

是对i_L求导，L,C,R分别是DC-DC Buck变换器的电感、电容和电阻，μ是DC-DC Buck变换器控制输入，并且μ∈[0,1]；

定义输入电压误差θ₁＝V_ref-V_o,电流误差θ₂＝-i_L+V_ref/R,V_ref为参考参考输出电压,则得到系统的动态误差方程为：

具体地说，步骤S2包括以下步骤：

S21、设定电流的限定值W，保证-W<i_L<W，使电流误差θ₂满足公式

S22、获得设计的电流受限时间控制器μ，为：

其中

其中，k₁、k₂、α₁和α₂为参数，k₁>0,k₂>0,0<α₁<1,α₂＝2α₁/(α₁+1)，

S23、将步骤S22代入到动态误差方程可得：

具体地说，步骤S3包括以下步骤：

S31、针对负载不确定时的DC-DC Buck变换器，估计器设计为

其中

其中Θ＝-1/R,

是Θ的评估值，s₁、s₂、γ₁和γ₂是恰当的正增益参数，0.5<γ₁<1,γ₂＝2γ₁-1；

S32：DC-DC Buck变换器自适应电流受限有限时间控制器设计为：

其中

本发明的优点在于：本发明采用有限时间控制算法，因为可以实现电压的快速追踪，提高收敛速度，同时还可以提高系统的鲁棒性。由于采用了电流受限，因此可以保证电流控制在一定范围内，保护电路不会因电流过大而损坏。

附图说明

图1为DC-DC BUCK变换系统与电流受限有限时间控制器的电路原理示意图。

图2为本发明实施例中DC-DC Buck变换器系统的输出电压响应曲线对比图。

图3为本发明实施例中DC-DC Buck变换器系统的电感电流响应曲线对比图。

图4为本发明实施例中负载电阻变化时DC-DC Buck变换器系统的输出电压响应曲线对比图。

图5为本发明实施例中负载电阻变化时DC-DC Buck变换器系统的电感电流响应曲线对比图。

具体实施方式

一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，该方法基于的控制器如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、基于DC-DC Buck变换器得到平均数学模型，得出状态表达式和误差动态方程；

得到的状态空间表达式为：

其中V_in是DC-DC Buck变换器输入电压，V_o是DC-DC Buck变换器输出电压，

是对V_o求导，i_L是DC-DC Buck变换器的电感电流，

是对i_L求导，L,C,R分别是DC-DC Buck变换器的电感、电容和电阻，μ是DC-DC Buck变换器控制输入，并且μ∈[0,1]；

定义输入电压误差θ₁＝V_ref-V_o,电流误差θ₂＝-i_L+V_ref/R,V_ref为参考参考输出电压,则得到系统的动态误差方程为：

S2、设计电流受限有限时间控制器，将DC-DC Buck变换器控制输入μ带入误差动态方程中，消除电压误差和电流误差；

S21、设定电流的限定值W，保证-W<i_L<W，使电流误差θ₂满足公式

S22、获得设计的电流受限时间控制器μ，为：

其中

其中，k₁、k₂、α₁和α₂为参数，k₁>0,k₂>0,0<α₁<1,α₂＝2α₁/(α₁+1)，

S23、将步骤S22代入到动态误差方程可得：

S3、设计自适应电流受限有限时间控制器。具体步骤如下：

S31、针对负载不确定时的DC-DC Buck变换器，估计器设计为

其中

其中Θ＝-1/R,

是Θ的评估值，s₁、s₂、γ₁和γ₂是恰当的正增益参数，0.5<γ₁<1,γ₂＝2γ₁-1；

S32：DC-DC Buck变换器自适应电流受限有限时间控制器设计为：

其中

该实施例中，元件取值分别如下：输入电压V_in＝50V、电感L＝5mH、电容C＝1mf、电阻R＝20Ω，参考电压V_ref＝20V.限流值W＝3。

控制参数为：α₁＝0.5,α₂＝0.75，有限时间控制器高增益时参数k₁＝10,k₂＝1,k₃＝1，电流受限有限时间控制器参数k₁＝3,k₂＝0.1,k₃＝0.1,有限时间控制器低增益参数时k₁＝0.5,k₂＝10^-3,k₃＝5×10^-3。

如图2、图3所示，DC-DC Buck变换器系统在三种不同参数下的输出电压和电感电流具体变化曲线。如图4、图5所示，DC-DC Buck变换器系统在电阻突变时，三种不同参数下的输出电压和电感电流具体变化。DC-DC Buck变换器的负载电阻具体变化如下：

从图2和图3中可以看到，在有限时间高增益时，虽然电压收敛很快，但是电流却非常大，这会损坏电路元器件。而有限时间低增益时虽然电流不会超过3A,但是电压跟踪变慢了。但是电流受限有限时间控制器可以使电压在快速跟踪的同时，使电流不会越过3A。从图4和图5中可以看到，在电阻发生突变时，电流受限有限时间控制下，电压的波动比较小，同时电流也可以比较快的达到稳定上述结果表明，相对于传统的控制器，本发明不需要在变换器电路中增加保护电路，从而避免增加成本。本发明中的电流受限有限时间控制器，有效提高了电压和电流的收敛速率，具有更强的抗干扰抑制能力，提高了系统的鲁棒性。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于DC-DC Buck变换器得到平均数学模型，得出状态表达式和误差动态方程；

S2、设计电流受限有限时间控制器，将DC-DC Buck变换器控制输入μ带入误差动态方程中；

S3、设计自适应电流受限有限时间控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，其特征在于，步骤S1具体如下：

得到的状态空间表达式为：

其中V_in是DC-DC Buck变换器输入电压，V_o是DC-DC Buck变换器输出电压，

是对V_o求导，i_L是DC-DC Buck变换器的电感电流，

是对i_L求导，L,C,R分别是DC-DC Buck变换器的电感、电容和电阻，μ是DC-DC Buck变换器控制输入，并且μ∈[0,1]；

定义输入电压误差θ₁＝V_ref-V_o,电流误差θ₂＝-i_L+V_ref/R,V_ref为参考参考输出电压,则得到系统的动态误差方程为：

3.根据权利要求2所述的一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S21、设定电流的限定值W，保证-W<i_L<W，使电流误差θ₂满足公式

S22、获得设计的电流受限时间控制器μ，为：

其中

其中，k₁、k₂、α₁和α₂为参数，k₁>0,k₂>0,0<α₁<1,α₂＝2α₁/(α₁+1)，

S23、将步骤S22代入到动态误差方程可得：

4.根据权利要求3所述的一种基于Buck变换器电流受限的有限时间控制方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：

S31、针对负载不确定时的DC-DC Buck变换器，估计器设计为

其中

其中Θ＝-1/R,

是Θ的评估值，s₁、s₂、γ₁和γ₂是恰当的正增益参数，0.5<γ₁<1,γ₂＝2γ₁-1；

S32：DC-DC Buck变换器自适应电流受限有限时间控制器设计为：

其中

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