CN118100641A - 一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法 - Google Patents
一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法，包括S10，采样电路模块采集Buck电路模块的输出电压并反馈给主控制器模块；S20，主控制器模块计算期望输出电压与当前输出电压的误差；S30，自适应积分终端滑模控制器获取传入参数后，根据主控制器模块的控制方程，计算功率开关管是否工作的控制输入；S40，将控制输入转换成对应的PWM波信号，控制驱动电路模块，开启或关闭功率开关管。本发明可用更少的参数实现更好的控制效果，在响应速度、稳态误差和输出抖振等方面具有明显优势。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式系统领域，涉及一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法。
背景技术
在嵌入式系统中，具有更小的体积、更高的能源转化效率以及更稳定的输出电压等特点的电源更受开发者的青睐，直流开关电源也因此得到广泛应用，其中Buck电路无疑是应用热点。研究抗干扰、低功耗和低噪声的Buck电路在能源紧缺的现在具有重要的现实意义。
Buck电路是一种非线性时变系统，作为一种开关式结构，通过改变功率开关管的开关时间比例来控制电路以实现降压的目的。因此面对当前Buck电路中存在的问题，除了寄希望于改进Buck电路的电路结构外，寻求更加优越的控制策略更为现实。
除了滑模控制器(SMC)、积分终端滑模控制器(ITSMC)之外，自适应积分终端滑模控制器(AITSMC)不要求高精度数学模型，对外部扰动和系统参数摄动具有强鲁棒性，响应速度快，且作为非线性控制算法非常适合用于Buck电路的控制。
发明内容
在相同的电路结构下，不同的控制方法导致输入电压、输出电压、负载电流、纹波等重要技术指标的不同。更优越的控制方法可以提高电路抗干扰的能力，也能加快电路输出的响应速度。将自适应积分终端滑模控制器作为Buck电路的控制方法可有效改善Buck电路中存在的现实问题。
本发明的技术方案为一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法，对应的控制系统包括稳压电压源、Buck电路模块、主控制器模块、采样电路模块和驱动电路模块，稳压电压源、Buck电路模块、采样电路模块和主控制器模块依次连接，驱动电路模块的输入与主控制器模块连接，驱动电路模块的输出与Buck电路模块连接；
其中，所述稳压电压源提供输入电压；所述Buck电路模块将输入电压经过内部电阻、电容、电感和功率开关管降压后输出并接入负载；
所述主控制器模块收集采样电路模块的数据并做出控制决策，控制驱动电路模块工作；
所述采样电路模块将Buck电路模块的输出电压经过AD采样的方式反馈回主控制器模块完成闭环控制；
所述驱动电路模块将PWM波信号转换成电压信号，控制Buck电路模块中功率开关管的开合；
基于上述控制系统，控制方法包括以下步骤：
S10，采样电路模块采集Buck电路模块的输出电压并反馈给主控制器模块；
S20，主控制器模块计算期望输出电压与当前输出电压的误差；
S30，自适应积分终端滑模控制器获取传入参数后，根据主控制器模块的控制方程，计算功率开关管是否工作的控制输入；
S40，将控制输入转换成对应的PWM波信号，控制驱动电路模块，开启或关闭功率开关管。
优选地，包括针对工作在连续导通模式下的Buck电路方程为
其中，u为引入的开关控制函数作为滑模变结构控制器的输出， d＝pd1，d1为外部时变干扰，Vin为Buck电路的输入电压、L为Buck电路的储能电感值、C为Buck电路的输出滤波电容值、R为Buck电路的负载电阻值；Vo为所述S10中由采样电路模块采集到的输出电压，/>为其一阶求导，/>为其二阶求导；
对模型中无法精确获取的系统参数扰动和外部干扰进行建模：
其中，d0＝p0d1,代表系统参数的标称值，而/>Δd＝Δpd1为系统参数的不确定性，L0、C0、Vin0、R0分别表示Buck电路的储能电感、电容、输入电压、电阻的标称值，ΔL、ΔC、ΔVin、ΔR分别表示Buck电路的储能电感、电容、输入电压、电阻的精度误差。
优选地，还包括引入开关控制函数u作为滑模变结构控制器的输出
其中T为功率开关管控制周期，Ton为功率开关管开启时间。
优选地，所述S20中期望输出电压与当前输出电压的误差为：
e＝Vo-Vref
其中，Vo为所述S10中由采样电路模块采集到的输出电压，Vref为期望输出电压，为一常数；
所得新的系统状态方程为：
其中，表示系统的总干扰。
优选地，还包括引入积分终端滑模函数s：
其中λ1、λ2均为大于零的常数，p1、p2为正奇数，且满足关系p1>p2，λ1、λ2、p1和p2均为系统输入参数，其数值影响系统收敛时间和输出抖振，e为所述S20中期望输出电压与当前输出电压的误差；与经典滑模函数相比，引入非线性积分项e3来消除稳态误差。
优选地，求解方程组，同时引入条件解得系统等效输出
为保证系统能更快收敛，设置eI的初始值为：
其中α、β均为常数，作为系统输入参数影响系统收敛时间，eI(0)为非线性积分项eI在0时刻的值，e(0)为所述S20中期望输出电压与当前输出电压的误差e在0时刻的值，为误差e的一阶导数在0时刻的值。
优选地，还包括为达到快速趋近和减小振荡的目标，引入自适应达控趋近率，根据s的值自动切换趋近速度，自适应达控趋近率
其中sign(s)为符号函数，表达式为：
是所设计的自适应增益控制项，表达式为：
其中ε是自适应增益切换项边界，为大于0的常数；k1和r均为正数，作为系统输入参数主要影响系统抖振，fb为自适应增益项关于积分终端滑模函数s的势垒函数，表达式为：
得到控制器的控制输入为：
u＝ue5+ua8p。
优选地，还包括选择李雅普诺夫稳定性分析来证明两种状态下的系统仍然具有稳定性，选取作为首次满足条件/>的时刻，
对于部分，设计李雅普诺夫函数/>求导可得
其中k代表增益，为增益k与增益控制项/>的差，τ1＝p0 -1(p0k-|z|)，τ2＝(γk1|s|r-1)|s|，/> 证明此时系统满足李雅普诺夫稳定性要求，/>的边界为：
其中C1≤τ11(t)。
优选地，还包括选择李雅普诺夫稳定性分析来证明两种状态下的系统仍然具有稳定性，选取作为首次满足条件/>的时刻，
对于部分，设计李雅普诺夫函数/>求导可得
设化简式子可得：
其中 证明此时系统满足李雅普诺夫稳定性要求，时间边界ta的表达式为
本发明至少具有如下有益效果：在Buck电路的控制中，本发明的自适应积分终端滑模控制器(AITSMC)，系统关键参数可根据实际条件自主调节。相比于现有技术中的滑模控制器(SMC)、积分终端滑模控制器(ITSMC)，所提出的基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法可用更少的参数实现更好的控制效果，在响应速度、稳态误差和输出抖振等方面具有明显优势。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法的电路拓扑结构；
图2为本发明实施例的一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法的系统框图；
图3为本发明实施例的一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法的控制流程图；
图4为本发明实施例的一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法在无附加条件下的输出电压图；
图5为本发明实施例的一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法在瞬间添加微小扰动条件下的输出电压图；
图6为本发明实施例的一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法在更换负载条件下的输出电压图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
图1展示了Buck电路拓扑结构，电路元件包括稳压电压源Vin、功率开关管St、续流二极管D、储能电感L、输出滤波电容C、负载电阻R，Vo为负载R两端的电压，即输出电压。
图2为对应的控制系统包括稳压电压源10、Buck电路模块20、主控制器模块50、采样电路模块30和驱动电路模块40，稳压电压源10、Buck电路模块20、采样电路模块30和主控制器模块50依次连接，驱动电路模块40的输入与主控制器模块50连接，驱动电路模块40的输出与Buck电路模块20连接；
其中，稳压电压源10提供输入电压；所述Buck电路模块20将输入电压经过内部电阻、电容、电感和功率开关管降压后输出并接入负载；
主控制器模块50收集采样电路模块30的数据并做出控制决策，控制驱动电路模块40工作；
采样电路模块30将Buck电路模块20的输出电压经过AD采样的方式反馈回主控制器模块50完成闭环控制；
驱动电路模块40将PWM波信号转换成电压信号，控制Buck电路模块20中功率开关管的开合；
基于上述控制系统，控制方法包括以下步骤：
S10，采样电路模块30采集Buck电路模块20的输出电压并反馈给主控制器模块50；
S20，主控制器模块50计算期望输出电压与当前输出电压的误差；
S30，自适应积分终端滑模控制器获取传入参数后，根据主控制器模块50的控制方程，计算功率开关管是否工作的控制输入；
S40，将控制输入转换成对应的PWM波信号，控制驱动电路模块40，开启或关闭功率开关管。
具体实施例中，控制方法包括：
S1：在Buck电路系统的主控制器模块50中编写用于控制驱动电路模块40的程序，其中控制输入为
S2：通过采样电路模块30采集Buck电路当前输出电压，并将信号传入主控制器模块50用于更新控制器输出。
S3：自适应积分终端滑模控制器获取传入参数后，根据S1中设置的控制方程，计算功率开关管是否工作的控制输入。
S4：将控制输入转换成对应的PWM波信号，控制驱动电路模块40，开启或关闭功率二极管。这样不断通过由采样电路模块30反馈的当前Buck电路模块20的输出电压得到控制输出，使得Buck电路模块20有更趋近于期望值的实际输出电压。
Buck电路工作在连续导通模式(CCM)下的电路方程为
其中，d1为外部时变干扰，d＝pd1，对模型中无法精确获取的系统参数扰动和外部干扰进行建模：
其中p0、m0、n0、d0代表系统参数的标称值，而Δp、Δm、Δn、Δd为系统参数的不确定性。
引入期望输出电压与当前输出电压的误差
其中Vo为所述S10中由采样电路模块30采集到的输出电压，Vref为期望输出电压，为一常数。
结合(2)和(3)可得：
其中表示系统的总干扰。
引入积分终端滑模函数s
其中λ1、λ2均为大于零的常数，p1，p2为正奇数，且p1>p2。
对(5)求导可得
在不考虑不确定性误差条件下，令并结合(4)可得等效控制输入：
设计一种自适应达控趋近率
其中是所设计的自适应增益控制项，表达式为：
其中ε为自适应增益切换项边界，k1和r均为正数。
则总的控制输入为
u＝ue5+ua8p (10)
为证明所设计的控制器收敛时间，设计两个李雅普诺夫方程
求导，并代入控制输入与滑模面，最终可得：
则V1,V2会在指定的时间内收敛到预定值，即|s|在时刻前收敛到/>在时刻/> 前收敛到/>(/>与t是收敛时间上限，而不是真实收敛时间，电路参数、外部扰动等均会影响真实收敛时间)。
系统的系统框图参见图2，由稳压电压源10为Buck电路模块20提供输入电压，采样电路模块30将Buck电路模块20的输出电压信号反馈给主控制器模块50，主控制器据此做出控制决策控制驱动电路模块40进而改变Buck电路模块20状态，并不断循环上述过程直到系统停止运行。
系统的控制流程图参见图3，系统上电后由操作者选择是否启动。初始化完成后根据期望输出电压与实际输出电压的误差更新滑模变量的值，据此选择对应的自适应率，然后计算控制输入，最后驱动功率开关管完成一次控制并不断循环直到系统结束运行。
在无附加条件、瞬间添加微小扰动、更换负载三种条件下仿真效果参见图4至图6，本发明的自适应积分终端滑模控制器(AITSMC)，系统关键参数可根据实际条件自主调节。相比于现有技术中的滑模控制器(SMC)、积分终端滑模控制器(ITSMC)，可以看出本发明的自适应积分终端滑模控制器对比其余滑模控制器表现效果优越，收敛速度更快，抗干扰能力更强，输出电压稳定性更好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于自适应积分终端滑模控制器的Buck电路控制方法，其特征在于，对应的控制系统包括稳压电压源、Buck电路模块、主控制器模块、采样电路模块和驱动电路模块，稳压电压源、Buck电路模块、采样电路模块和主控制器模块依次连接，驱动电路模块的输入与主控制器模块连接，驱动电路模块的输出与Buck电路模块连接；
其中，所述稳压电压源提供输入电压；所述Buck电路模块将输入电压经过内部电阻、电容、电感和功率开关管降压后输出并接入负载；
所述主控制器模块收集采样电路模块的数据并做出控制决策，控制驱动电路模块工作；
所述采样电路模块将Buck电路模块的输出电压经过AD采样的方式反馈回主控制器模块完成闭环控制；
所述驱动电路模块将PWM波信号转换成电压信号，控制Buck电路模块中功率开关管的开合；
基于上述控制系统，控制方法包括以下步骤：
S10，采样电路模块采集Buck电路模块的输出电压并反馈给主控制器模块；
S20，主控制器模块计算期望输出电压与当前输出电压的误差；
S30，自适应积分终端滑模控制器获取传入参数后，根据主控制器模块的控制方程，计算功率开关管是否工作的控制输入；
S40，将控制输入转换成对应的PWM波信号，控制驱动电路模块，开启或关闭功率开关管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括针对工作在连续导通模式下的Buck电路方程为
其中，u为引入的开关控制函数作为滑模变结构控制器的输出， d＝pd1，d1为外部时变干扰，Vin为Buck电路的输入电压、L为Buck电路的储能电感值、C为Buck电路的输出滤波电容值、R为Buck电路的负载电阻值；Vo为所述S10中由采样电路模块采集到的输出电压，/>为其一阶求导，/>为其二阶求导；
对模型中无法精确获取的系统参数扰动和外部干扰进行建模：
其中，d0＝p0d1,代表系统参数的标称值，而Δd＝Δpd1为系统参数的不确定性，L0、C0、/>R0分别表示Buck电路的储能电感、电容、输入电压、电阻的标称值，ΔL、ΔC、ΔVin、ΔR分别表示Buck电路的储能电感、电容、输入电压、电阻的精度误差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括引入开关控制函数u作为滑模变结构控制器的输出
其中T为功率开关管控制周期，Ton为功率开关管开启时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S20中期望输出电压与当前输出电压的误差为：
e＝Vo-Vref
其中，Vo为所述S10中由采样电路模块采集到的输出电压，Vref为期望输出电压，为一常数；
所得新的系统状态方程为：
其中，表示系统的总干扰。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括引入积分终端滑模函数s：
其中λ1、λ2均为大于零的常数，p1、p2为正奇数，且满足关系p1>p2，λ1、λ2、p1和p2均为系统输入参数，其数值影响系统收敛时间和输出抖振，e为所述S20中期望输出电压与当前输出电压的误差；与经典滑模函数相比，引入非线性积分项eI来消除稳态误差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，求解方程组，同时引入条件解得系统等效输出
为保证系统能更快收敛，设置eI的初始值为：
其中α、β均为常数，作为系统输入参数影响系统收敛时间，eI(0)为非线性积分项eI在0时刻的值，e(0)为所述S20中期望输出电压与当前输出电压的误差e在0时刻的值，为误差e的一阶导数在0时刻的值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括为达到快速趋近和减小振荡的目标，引入自适应达控趋近率，根据s的值自动切换趋近速度，自适应达控趋近率
其中sign(s)为符号函数，表达式为：
是所设计的自适应增益控制项，表达式为：
其中ε是自适应增益切换项边界，为大于0的常数；k1和r均为正数，作为系统输入参数主要影响系统抖振，f9为自适应增益项关于积分终端滑模函数s的势垒函数，表达式为：
得到控制器的控制输入为：
u＝ue5+ua8p。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括选择李雅普诺夫稳定性分析来证明两种状态下的系统仍然具有稳定性，选取t作为首次满足条件 的时刻，
对于部分，设计李雅普诺夫函数/>求导可得
其中k代表增益，为增益k与增益控制项/>的差，τ1＝p0 -1(p0k-|z|)，τ2＝(γk1|s|r-1)|s|，/> 证明此时系统满足李雅普诺夫稳定性要求，/>的边界为：
其中C1≤τ11(t)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括选择李雅普诺夫稳定性分析来证明两种状态下的系统仍然具有稳定性，选取作为首次满足条件/> 的时刻，
对于部分，设计李雅普诺夫函数/>求导可得
设化简式子可得：
其中 证明此时系统满足李雅普诺夫稳定性要求，时间边界ta的表达式为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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