JP6864374B2 - DC / DC converter stability analysis method and system - Google Patents
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Description
本発明はDC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムを取り上げて、具体的には不連続制御理論に基づくDC / DCコンバータ指数安定性分析方法及びシステムである。 The present invention takes up a DC / DC converter stability analysis method and system, and specifically, is a DC / DC converter exponential stability analysis method and system based on discontinuous control theory.
コンバータシステム安定がその工業応用の前提条件であり、安定なシステムしか工業生産に投入されることができない。製品パラメータ設計段階で安定性に対し理論指導と分析を行われば、実際の応用において強い干渉防止能力を持ち、システムの崩壊を引き起こさないことを確保できる。安定性理論分析が通常、システム数学モデルの確立とそれに基づき形成された安定性判別方法に依存する。
DC / DCコンバータが典型的な切換不連続システムであり、「切換」を導入するため、DC / DCコンバータシステムが連続変化の変数と離散変数とを含む。連続変数と離散変数との相互作用により様々なカップリング挙動が形成され、システムの動力学的な挙動が非常に複雑になり、従ってDC / DCコンバータが典型的なハイブリタイゼーションシステムである。連続システムと比べ、不連続システムによりDC / DCコンバータシステムを記述するのがもっと精確であり、システムの本当の状況を反映することができるが、研究がもっと複雑であり、抽象的な現代数学ツールと複雑な制御設計方法が必要であり、既存の安定性判定理論にも挑戦する。
従来の安定性分析方法が小信号分析方法、離散モデル分析方法、Lyapunov関数分析方法などを含む。小信号分析方法によりDC / DCコンバータに対しモデリングと安定性分析を行い、コンバータの機能と干渉防止能力を高めるが、小信号分析方法によりDC / DCコンバータを分析するとき、小信号分析方法が状態空間平均モデルにより導出されるものであり、状態変数の一時的な情報が失われるため、分析結果が実際の状況とは一般に大きく異なり、応用範囲が大きく制限され;離散モデル分析方法はDC / DCコンバータの状態微分方程式によりシステム状態行列と出力行列を取得し、そして選択された状態変数に対し離散反復を行い、平均方法により状態変数に対し不動点でファイン線形化を行い、そして線形化特徴行列の特徴乗数を解き、これにより安定性基準を取得し、しかし、離散モデル分析方法が線形化方法であるため、コンバータ回路のパラメータ外乱が大きい場合に適用しなく;Lyapunov安定性がロシアの科学者Lyapunovによって提出されたものである。そのキーポイントは共同Lyapunov関数またはマルチLyapunov関数を構築することであり、エネルギー減少の法則によりシステムの安定性を判定し、しかしLyapunov関数方法によりDC / DCコンバータを分析するとき、システムのLyapunov関数が構築されにくく、特に高次元マルチサブシステムの切換システムであり、現在Lyapunov関数を構築するよい方法がなく、従ってLyapunov安定性分析方法の応用も制限されている。特にコンバータのようなマルチサブシステムの切換システムにおいて、現在ではマルチLyapunov関数しか発見されていなく、適切な共同Lyapunov関数がまだ発見されていなく、安定性分析が進めにくい。
また、従来のDC / DCコンバータの安定性分析により取得された安定は指数安定より収束速度が遅く、且つシステムの収束速度を正確に記述することができない。
Converter system stability is a prerequisite for its industrial application, and only stable systems can be put into industrial production. Theoretical guidance and analysis of stability at the product parameter design stage can ensure that it has strong anti-interference capabilities in practical applications and does not cause system collapse. Stability theory analysis usually relies on the establishment of system mathematical models and the stability determination methods formed on them.
A DC / DC converter is a typical switching discontinuous system, and because of the introduction of "switching", the DC / DC converter system contains continuously changing variables and discrete variables. The interaction of continuous and discrete variables forms various coupling behaviors that greatly complicate the dynamic behavior of the system, so DC / DC converters are typical hybridization systems. Compared to continuous systems, it is more accurate to describe DC / DC converter systems with discontinuous systems, which can reflect the true situation of the system, but the study is more complicated and abstract modern mathematical tools. A complicated control design method is required, and the existing stability judgment theory is also challenged.
Conventional stability analysis methods include small signal analysis methods, discrete model analysis methods, Lyapunov function analysis methods, and the like. Modeling and stability analysis are performed on the DC / DC converter by the small signal analysis method to enhance the function and interference prevention capability of the converter, but when analyzing the DC / DC converter by the small signal analysis method, the small signal analysis method is in a state. Derived by the spatial average model, the temporary information of the state variables is lost, so the analysis results are generally very different from the actual situation, and the range of application is greatly limited; the discrete model analysis method is DC / DC. The system state matrix and output matrix are obtained by the converter's state differential equation, and discrete iterations are performed on the selected state variables, fine linearization is performed on the state variables at immovable points by the averaging method, and the linearization feature matrix. Solving the feature multiplier of, thus obtaining a stability criterion, but not applicable when the parameter disturbance of the converter circuit is large because the discrete model analysis method is a linearization method; Lyapunov stability is a Russian scientist It was submitted by Lyapunov. The key point is to build a joint Lyapunov function or a multi-Lyapunov function, which determines the stability of the system by the law of energy reduction, but when analyzing the DC / DC converter by the Lyapunov function method, the Lyapunov function of the system It is difficult to build, especially a high-dimensional multi-subsystem switching system, and there is currently no good way to build Lyapunov functions, thus limiting the application of Lyapunov stability analysis methods. Especially in multi-subsystem switching systems such as converters, only multi-Lyapunov functions have been discovered at present, and appropriate joint Lyapunov functions have not yet been discovered, making it difficult to proceed with stability analysis.
In addition, the stability obtained by the stability analysis of the conventional DC / DC converter has a slower convergence speed than the exponential stability, and the convergence speed of the system cannot be accurately described.
上記の現在の技術中の問題を不足を解決するために、本発明の目的はDC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムを提供し、不連続制御理論を使用しDC / DCコンバータを記述することにより、状態変数の一時的な情報が失われなく、本当のシステム状態が反映され、システムの一時的な状態を分析することができる。 In order to solve the above problems in the current technology, an object of the present invention is to provide a DC / DC converter stability analysis method and system, and to describe a DC / DC converter using discontinuous control theory. As a result, the temporary information of the state variable is not lost, the true system state is reflected, and the temporary state of the system can be analyzed.
本発明のもう一つの目的は、DC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムを提供し、それがDC / DCコンバータを分析するとき、システムを線形化する必要がなく、システム安定性に対する分析がより正確であり、その同時に分析プロセスを簡素化する。 Another object of the present invention is to provide a DC / DC converter stability analysis method and system, and when it analyzes a DC / DC converter, there is no need to linearize the system, and the analysis for system stability is more. It is accurate and at the same time simplifies the analysis process.
本発明のもう一つの目的は、DC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムを提供し、従来のLyapunov関数分析方法が適切なLyapunov関数を構築する必要があることを避け、その同時に当該方法により回路パラメータ設計プロセスを簡素化することができる。 Another object of the present invention is to provide a DC / DC converter stability analysis method and system, avoiding the need for a conventional Lyapunov function analysis method to construct an appropriate Lyapunov function, and at the same time circuit by the method. The parameter design process can be simplified.
本発明のもう一つの目的は、DC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムを提供し、それが判断したDC / DCコンバータの安定性が指数安定であり、指数安定は従来の安定性より収束速度がもっと速く、且つ当該分析方法によりシステム収束速度の指数記述を取得することができる。 Another object of the present invention is to provide a DC / DC converter stability analysis method and system, in which the stability of the DC / DC converter is exponential stable, and the exponential stability is a convergence speed rather than the conventional stability. Is faster, and the exponential description of the system convergence speed can be obtained by the analysis method.
本発明のもう一つの目的は、DC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムを提供し、コンピュータの計算ツールにより適切な指数安定の回路パラメータを自動発見することができる。 Another object of the present invention is to provide a DC / DC converter stability analysis method and system, and an appropriate exponential stability circuit parameter can be automatically found by a computer calculation tool.
上記とその他の目的を達成するために、本発明はDC / DCコンバータ安定性分析方法を提出し、下記ステップS1とステップS2を含む: To achieve the above and other objectives, the present invention submits a DC / DC converter stability analysis method, including steps S1 and S2 below:
前記ステップS1は、DC / DCコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、これにより不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得し; In step S1, the conversion is derived for the DC / DC converter system model, thereby obtaining the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method;
前記ステップS2は、不連続制御理論指数安定性分析方法により、導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を利用しDC / DCコンバータシステムの指数安定性を判断し、DC / DCコンバータ指数収束速度を計算する。 In step S2, the exponential stability of the DC / DC converter system is determined using the state-space equation of the DC / DC converter derived by the discontinuous control theory exponential stability analysis method, and the exponential convergence speed of the DC / DC converter is determined. To calculate.
優選的に、前記ステップS1が更に下記を含む: Preferentially, said step S1 further includes:
DC / DCコンバータに対しモデリングを行い、当該コンバータの初期状態空間方程式を取得し; Model the DC / DC converter and obtain the initial state-space equation for the converter;
当該初期状態空間方程式に対し変換導出を行い、不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得する。 Transform and derive the initial state-space equation to obtain the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method.
優選的に、前記ステップS1において、BUCKコンバータに対しモデリングを行い、状態変数
を選択し、
が誘導電流であり、
が容量電圧であり、取得したBUCKコンバータの状態空間方程式が:
Preferentially, in step S1, modeling is performed on the BUCK converter, and the state variable
Select and
Is the induced current,
Is the capacitance voltage, and the obtained BUCK converter state-space equation is:
であり、 And
その中には、 Among them
;
;
;
。
;
;
;
..
優選的に、不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式が: The state-space equation of the BUCK converter, which is preferentially applied to the discontinuous control theory stability analysis method, is:
であり、 And
その中には: Among them:
その中には、Rが負荷抵抗の抵抗値であり、Cが容量値であり、Lがインダクタンス値であり、Eが入力電圧値であり、mがシステム作動の周期数であり、τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期である。 Among them, R is the resistance value of the load resistance, C is the capacitance value, L is the inductance value, E is the input voltage value, m is the number of system operation cycles, and τ is the switch. On-time, where T is the system cycle.
優選的に、前記ステップS2において、前記不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式を不連続制御理論の線形不等式に代入し解き、システムの収束速度を計算し取得する。 Preferentially, in step S2, the state-space equation of the BUCK converter applied to the discontinuity control theory stability analysis method is substituted into the linear inequality of the discontinuity control theory and solved, and the convergence speed of the system is calculated and acquired.
優選的に、前記不連続制御理論が下記の通りである: Preferentially, the discontinuous control theory is as follows:
(その中には、
/
が求める必要がある定数であり、Aが状態空間方程式の行列Aであり;ATが行列Aの転置を表し;τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期であり、対角行列
である)を成立させる対称の正定値行列
、正の定数
、和
(
)が存在すれば、システムの原点が指数安定する。
(In it
/
Is the constant that needs to be found, A is the matrix A of the state-space equations; A T represents the transpose of the matrix A; τ is the switch-on time, T is the system period, and the diagonal matrix
Is a symmetric positive-definite matrix that holds
, Positive constant
,sum
(
) Is present, the origin of the system is exponentially stable.
優選的に、前記ステップS2において、 Preferentially, in step S2
により被制御システムの指数収束速度を計算し取得する。 Calculates and obtains the exponential convergence speed of the controlled system.
上記の目的を達成するために、本発明はDC / DCコンバータ安定性分析システムも提出し、変換導出ユニットと安定性判断分析ユニットを含む: To achieve the above object, the present invention also submits a DC / DC converter stability analysis system, which includes a conversion derivation unit and a stability discriminant analysis unit:
前記変換導出ユニットは、DC / DCコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、これにより不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得し; The conversion derivation unit performs conversion derivation for the DC / DC converter system model, thereby obtaining the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method;
前記安定性判断分析ユニットは、不連続制御理論指数安定性分析方法により、導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を利用しDC / DCコンバータシステムの指数安定性を判断し、DC / DCコンバータ指数収束速度を計算する。 The stability judgment analysis unit judges the exponential stability of the DC / DC converter system by using the state-space equation of the DC / DC converter derived by the discontinuous control theory exponential stability analysis method, and determines the exponential stability of the DC / DC converter. Calculate the exponential convergence rate.
優選的に、前記変換導出ユニットが変換導出により下記の不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式を取得する: Preferentially, the transformation derivation unit obtains the state-space equation of the BUCK converter applied to the following discontinuous control theory stability analysis method by transformation derivation:
その中には: Among them:
その中には、Rが負荷抵抗の抵抗値であり、Cが容量値であり、Lがインダクタンス値であり、Eが入力電圧値であり、mがシステム作動の周期数であり、τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期である。 Among them, R is the resistance value of the load resistance, C is the capacitance value, L is the inductance value, E is the input voltage value, m is the number of system operation cycles, and τ is the switch. On-time, where T is the system cycle.
優選的に、前記安定性判断分析ユニットが前記不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式を不連続制御理論の線形不等式に代入し解き、システムの収束速度を計算し取得する。 Preferentially, the stability judgment analysis unit substitutes the state-space equation of the BUCK converter applied to the discontinuity control theory stability analysis method into the linear inequality of the discontinuity control theory and solves it, and calculates and obtains the convergence speed of the system. To do.
既存技術と比べて、本発明のDC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムが不連続制御理論の安定性方法をDC / DCコンバータの安定性分析に応用することにより、システムを線形化することを避け、Lyapunov関数を構築する必要がなく、DC / DCコンバータの指数安定性判定を簡単に実現し、且つシステムの収束速度を正確に記述し;本発明によりDC / DCコンバータが指数安定であると判断することを実現し、システムが指数安定するとき、従来の安定性より収束速度がもっと速く、且つ本発明によりDC / DCコンバータ指数安定のパラメータを快速で正確に設計することができる。 Compared with the existing technology, the DC / DC converter stability analysis method of the present invention and the system linearize the system by applying the stability method of the discontinuous control theory to the stability analysis of the DC / DC converter. Avoid, there is no need to build a Lyapunov function, the exponential stability determination of the DC / DC converter is easily realized, and the convergence speed of the system is described accurately; according to the present invention, the DC / DC converter is exponentially stable. When the judgment is realized and the system is exponentially stable, the convergence speed is faster than the conventional stability, and the present invention allows the parameters of the DC / DC converter exponential stability to be designed quickly and accurately.
本発明の実施例また既存の技術の中の技術方案をもっとはっきり説明するため、下記に実施例また既存の技術の説明の中に使用する必要がある附図に簡単な紹介を行う。本発明はその他の異なる具体的な実施例を通じて実施または応用されることができ、本説明書の各詳細は、異なる観点と応用に基づき、本発明の精神から離れない前提に様々な修正と変更を行われることができる。 In order to more clearly explain the examples of the present invention and the technical ideas in the existing technology, the following is a brief introduction to the illustrations that need to be used in the examples and the description of the existing technology. The present invention may be implemented or applied through other different specific examples, and each detail of this document is based on different viewpoints and applications, and various modifications and modifications are made to the premise that does not depart from the spirit of the present invention. Can be done.
本発明を紹介する前に、不連続制御理論を簡単に説明する: Before introducing the present invention, a brief description of discontinuous control theory:
下記のシステムを考慮する Consider the following systems
(1) (1)
方程式の中には、
が状態ベクトルであり;
が
を満たす連続非線形関数であり、且つ対角行列
が存在し
をさせ;
がシステム式(1)の外部制御を表し、
がシステムの初期状態である。
Some of the equations
Is the state vector;
But
It is a continuous nonlinear function that satisfies, and is a diagonal matrix.
Exists
Let me;
Represents the external control of system equation (1),
Is the initial state of the system.
間欠フィードバック制御の方法によりシステム式(1)を原点で安定させるために、当該システムに追加された制御が下記の形式を持つと仮定する In order to stabilize the system equation (1) at the origin by the method of intermittent feedback control, it is assumed that the control added to the system has the following form.
(2) (2)
DC / DCコンバータの作動モードがスイッチモードであり、本質的に間欠フィードバック制御の特例である。 The operating mode of the DC / DC converter is the switch mode, which is essentially a special case of intermittent feedback control.
方程式の中には、
が制御増益ベクトルであり;
が制御周期を表し;
が制御幅である。こうすれば、被制御システムが下記の方程式により確定される
Some of the equations
Is the control profit increase vector;
Represents the control cycle;
Is the control width. In this way, the controlled system is determined by the following equation.
(3) (3)
mがシステム作動の周期数であり、m=1,2,3,...であり、 m is the number of cycles of system operation, m = 1,2,3, ...
(4)
(5)
(6)
(Four)
(Five)
(6)
(
/
が求める必要がある定数(工学上の意義がない)であり、Aが状態空間方程式の行列Aであり;ATが行列Aの転置を表し;τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期であり、Lが対角行列
である。)を成立させる対称の正定値行列
、正の定数
、和
(
)が存在すれば、
(
/
Is the constant (which has no engineering significance) that needs to be found, where A is the matrix A of the state-space equations; A T represents the transpose of the matrix A; τ is the switch-on time and T is the system period. And L is the diagonal matrix
Is. ) Is a symmetric positive-definite matrix
, Positive constant
,sum
(
) Exists
システム式(3)の原点が指数安定し、且つ The origin of system equation (3) is exponentially stable and
(7) (7)
その中には、
が被制御システムの指数収束速度である。
Among them
Is the exponential convergence speed of the controlled system.
図1は本発明によるDC / DCコンバータ安定性分析方法のステップ流れ図である。図1が示すように、本発明によるDC / DCコンバータ安定性分析方法は、ステップS1とステップS 2を含む: FIG. 1 is a step flow diagram of the DC / DC converter stability analysis method according to the present invention. As Figure 1 shows, the DC / DC converter stability analysis method according to the invention includes steps S1 and S2:
前記ステップS1は、DC / DCコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、これにより不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得する。 In step S1, the conversion is derived for the DC / DC converter system model, thereby acquiring the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method.
本発明の具体的な実施例において、BUCKコンバータを例として説明する: In a specific embodiment of the present invention, a BUCK converter will be described as an example:
まず、DC / DCコンバータに対しモデリングを行い、状態変数
を選択し、
が誘導電流であり、
が容量電圧であり、取得したBUCKコンバータの状態空間方程式が
First, model the DC / DC converter and state variables
Select and
Is the induced current,
Is the capacitance voltage, and the acquired BUCK converter state-space equation is
である。 (8) Is. (8)
その中には、 Among them
;
;
;
。
;
;
;
..
上記Rが負荷抵抗の抵抗値であり、Cが容量値であり、Lがインダクタンス値であり、Eが入力電圧値である。 R is the resistance value of the load resistance, C is the capacitance value, L is the inductance value, and E is the input voltage value.
ここで説明する必要があるのは、本発明はBUCKコンバータを例とするが、その他のコンバータも本発明に適用し、その状態空間方程式が式(8)により表すことができ、ただその中の行列A、行列Bが異なる。 What needs to be explained here is that the present invention takes the BUCK converter as an example, but other converters are also applied to the present invention, and the state-space equation can be expressed by Eq. (8), but only in it. Matrix A and Matrix B are different.
をさせると、 When you let
(9) (9)
コンバータのサブモダリティには非線形項が存在しないため、 Because there are no non-linear terms in the converter submodality
をさせると、 When you let
式(8)を式(3)に代入すると、取得したシステム方程式が下記の通りである: Substituting equation (8) into equation (3), the obtained system equation is as follows:
(10) (Ten)
その中には、 Among them
。 ..
前記ステップS2は、不連続制御理論指数安定性分析方法により、導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を利用しDC / DCコンバータシステムの指数安定性を判断し、DC / DCコンバータ指数収束速度を計算する。 In step S2, the exponential stability of the DC / DC converter system is determined using the state-space equation of the DC / DC converter derived by the discontinuous control theory exponential stability analysis method, and the exponential convergence speed of the DC / DC converter is determined. To calculate.
前記不連続制御理論によると:
(4)
(5)
(6)
According to the discontinuous control theory:
(Four)
(Five)
(6)
(その中には、
/
が求める必要がある定数(工学上の意義がない)であり、Aが状態空間方程式の行列Aであり;ATが行列Aの転置を表し;τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期である。)を成立させる対称の正定値行列
、正の定数
、和
(
)が存在すれば、
(In it
/
Is the constant (which has no engineering significance) that needs to be found, where A is the matrix A of the state-space equations; A T represents the transpose of the matrix A; τ is the switch-on time and T is the system period. Is. ) Is a symmetric positive-definite matrix
, Positive constant
,sum
(
) Exists
システム式(3)の原点が指数安定し、且つ The origin of system equation (3) is exponentially stable and
(7) (7)
その中には、
が被制御システムの指数収束速度である。
Among them
Is the exponential convergence speed of the controlled system.
導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式(10)を上記式(4)-式(6)の線形行列不等式に代入し解き、また
によりシステムの収束速度を計算し取得する。
Substitute the derived DC / DC converter state-space equation (10) into the linear matrix inequality of equations (4)-(6) above and solve it.
Calculates and obtains the convergence speed of the system.
回路パラメータが表1の示すようであると仮定すると、 Assuming the circuit parameters are as shown in Table 1,
前記パラメータを式(4)-式(6)の不等式に代入し、取得した線形行列不等式の解が下記である: Substituting the above parameters into the inequality of Eqs. (4)-Equation (6), the solution of the obtained linear matrix inequality is as follows:
且つシステム収束速度が: And the system convergence speed is:
である。 Is.
本発明の具体的な実施例において、コンピュータツール(例えばMATLAB)で基準の中の式(4)-式(6)を作成することができ、DC / DCコンバータの機能パラメータを確定した後、確定できないパラメータをそれぞれ作成した基準の中の式(4)-式(6)に代入し安定性判定を行わせば、DC / DCコンバータ指数安定のパラメータを快速に発見ことができる。 In a specific embodiment of the present invention, a computer tool (for example, MATLAB) can be used to create equations (4)-formulas (6) in the reference, and after determining the functional parameters of the DC / DC converter. By substituting the parameters that cannot be created into equations (4) and (6) in the created criteria and performing stability judgment, the parameters of DC / DC converter exponential stability can be found quickly.
表1の回路部品パラメータをBuckコンバータモデルに代入し、コンピュータツール(例えばMATLAB)のLMIツールボックスにより式(4)-式(6)の不等式を解き、希望の出力電圧(容量電圧)をパラメータとして計算し取得し、この回路パラメータのもとで、容量電圧が6.7V-11.9Vの降圧作動範囲内にあり、回路が適切な制御率のもとで指数安定することができる。 Substitute the circuit component parameters in Table 1 into the Buck converter model, solve the inequality of Eqs. (4)-Equation (6) with the LMI toolbox of a computer tool (for example, MATLAB), and use the desired output voltage (capacitive voltage) as the parameter. Calculated and obtained, under this circuit parameter, the capacitance voltage is within the step-down operating range of 6.7V-11.9V, and the circuit can be exponentially stabilized under appropriate control.
図2は本発明によるDC / DCコンバータ安定性分析システムのシステム構成図である。図2が示すように、本発明によるDC / DCコンバータ安定性分析システムは、変換導出ユニット201と安定性判断分析ユニット202を含む: FIG. 2 is a system configuration diagram of the DC / DC converter stability analysis system according to the present invention. As shown in FIG. 2, the DC / DC converter stability analysis system according to the present invention includes a conversion derivation unit 201 and a stability discriminant analysis unit 202:
前記変換導出ユニット201は、DC / DCコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、これにより不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得する。 The conversion derivation unit 201 performs conversion derivation for the DC / DC converter system model, thereby acquiring a DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method.
本発明の具体的な実施例において、BUCKコンバータを例とし、BUCKコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、下記の状態空間方程式を取得する: In a specific embodiment of the present invention, taking a BUCK converter as an example, conversion and derivation are performed on the BUCK converter system model, and the following state-space equations are obtained:
その中には、 Among them
。 ..
前記安定性判断分析ユニット202は、不連続制御理論指数安定性分析方法により、導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を利用しDC / DCコンバータシステムの指数安定性を判断し、DC / DCコンバータ指数収束速度を計算する。 The stability judgment analysis unit 202 judges the exponential stability of the DC / DC converter system by using the state-space equation of the DC / DC converter derived by the discontinuous control theory exponential stability analysis method, and DC / DC. Calculate the converter exponential convergence rate.
前記不連続制御理論によると: According to the discontinuous control theory:
(4)
(5)
(6)
(Four)
(Five)
(6)
(その中には、
/
が求める必要がある定数(工学上の意義がない)であり、Aが状態空間方程式の行列Aであり;ATが行列Aの転置を表し;τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期である。)を成立させる対称の正定値行列
、正の定数
、和
(
)が存在すれば、
(In it
/
Is the constant (which has no engineering significance) that needs to be found, where A is the matrix A of the state-space equations; A T represents the transpose of the matrix A; τ is the switch-on time and T is the system period. Is. ) Is a symmetric positive-definite matrix
, Positive constant
,sum
(
) Exists
システム式(3)の原点が指数安定し、且つ The origin of system equation (3) is exponentially stable and
(7) (7)
その中には、
が被制御システムの指数収束速度である。
Among them
Is the exponential convergence speed of the controlled system.
導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を上記式の線形行列不等式に代入し解き、また
によりシステムの収束速度を計算し取得する。
Substitute the derived DC / DC converter state-space equation into the linear matrix inequality in the above equation and solve it.
Calculates and obtains the convergence speed of the system.
下記に回路シミュレーションにより本発明をさらに説明する: The present invention will be further described below by circuit simulation:
1、オープンループのBUCKコンバータ回路シミュレーション 1. Open-loop BUCK converter circuit simulation
PSIMソフトウェアを使用し回路シミュレーションを行い、その回路が図3の示すようである。出力負荷外乱を行い、負荷抵抗Rを10Ωから5Ωに突然変換し、そのシミュレーション結果が図4のようであり:その中の二つの周期を選択しその指数安定性を検証し、図5のようである。 A circuit simulation was performed using PSIM software, and the circuit is shown in Fig. 3. Output load disturbance is performed and the load resistance R is suddenly converted from 10Ω to 5Ω, and the simulation result is as shown in Fig. 4: Two cycles in it are selected and their exponential stability is verified, as shown in Fig. 5. Is.
不連続制御理論により分かることは、指数安定システムが前記(4)式を満たし、その中には、時間t=2.9911s、t1=2.99298s、t2=2.99303sであり、シミュレーションにより取得された各数値を式(7)に代入し下記を取得する: What can be seen from the discontinuous control theory is that the exponential stability system satisfies the above equation (4), in which the time t = 2.9911s, t1 = 2.99298s, t2 = 2.99303s, and each obtained by simulation. Substitute the numerical value into equation (7) to get the following:
という条件を満たす。 Satisfy the condition.
従って、当該Buckコンバータが指数安定し、このパラメータで適当な制御率を設計すればこのコンバータを指数安定させることができる。 Therefore, the Buck converter is exponentially stable, and if an appropriate control factor is designed with this parameter, the converter can be exponentially stabilized.
2、ピーク電流により制御されるBuckコンバータPSIMシミュレーション 2. Buck converter PSIM simulation controlled by peak current
表1の回路パラメータを選択し、インダクタンスLをパラメータとして不連続制御理論安定性方法により計算し取得されたインダクタンスLの値が7.2mHより大きい場合、回路が指数安定でき、シミュレーション回路が図6のようであり、その中には、図6(a)のインダクタンス値L=5mHであり、このとき回路が指数安定しなく、図6(b)のインダクタンス値がL=10mHであり、このとき回路が指数安定する。シミュレーション波形図が図7のようであり、明らかに、インダクタンス値が10mHとされる場合、回路が指数安定状態にあり、このときの誘導電流リップルが約0.03046Aである。インダクタンス値が5mHとされる場合、回路の作動状態が不安定であり、このときの誘導電流リップルが0.07537Aである。 When the circuit parameters in Table 1 are selected and the value of the inductance L calculated and obtained by the discontinuous control theory stability method with the inductance L as the parameter is larger than 7.2 mH, the circuit can be exponentially stabilized and the simulation circuit is shown in Fig. 6. In it, the inductance value L = 5mH in Fig. 6 (a), the circuit is not exponentially stable at this time, and the inductance value in Fig. 6 (b) is L = 10mH, at this time the circuit. Is index stable. The simulation waveform diagram is as shown in Fig. 7. Obviously, when the inductance value is 10 mH, the circuit is in an exponential stable state, and the induced current ripple at this time is about 0.03046A. When the inductance value is 5 mH, the operating state of the circuit is unstable, and the induced current ripple at this time is 0.07537A.
以上により、本発明によるDC / DCコンバータ安定性分析方法及びシステムは不連続制御理論の安定性方法をDC / DCコンバータの安定性分析に応用することにより、システムが線形化されることを避け、Lyapunov関数を構築すること必要がなくDC / DCコンバータの指数安定性判定を簡単に実現し、且つシステムの収束速度を正確に記述し;本発明によりDC / DCコンバータ指数安定を判定することが実現され、システムが指数安定するとき従来の安定性より収束速度がもっと速く、且つ本発明によりDC / DCコンバータ指数安定のパラメータを速く正確に設計することができる。 Based on the above, the DC / DC converter stability analysis method and system according to the present invention avoid the system from being linearized by applying the stability method of the discontinuous control theory to the stability analysis of the DC / DC converter. It is possible to easily determine the exponential stability of the DC / DC converter without having to construct the Lyapunov function, and to accurately describe the convergence speed of the system; the present invention realizes the determination of the exponential stability of the DC / DC converter. When the system is exponentially stable, the convergence speed is faster than the conventional stability, and the present invention allows the parameters of DC / DC converter exponential stability to be designed quickly and accurately.
既存技術と比べて、本発明が下記のメリットを持つ: Compared with the existing technology, the present invention has the following advantages:
1、従来のDC / DCコンバータ安定性分析方法の小信号分析方法は、システムを線形化する必要があり、システムの一時的な情報が失われる。しかし本発明は不連続制御理論の安定性分析方法を使用しシステムを線形化する必要がなく、システムの安定性を正確に記述することができる。 1. The small signal analysis method of the conventional DC / DC converter stability analysis method requires linearization of the system, and temporary information of the system is lost. However, the present invention does not need to linearize the system using the stability analysis method of discontinuous control theory, and can accurately describe the stability of the system.
2、離散モデル分析方法は線形化方法であり、コンバータ回路のパラメータ外乱が大きい場合に適用しなく、本発明が不連続制御理論の安定性分析方法を使用しDC / DCコンバータを分析するとき、システムを線形化する必要がなく、システム安定性に対する分析がより正確であり、その同時に分析プロセスを簡素化する。 2. The discrete model analysis method is a linearization method, which is not applied when the parameter disturbance of the converter circuit is large, and when the present invention analyzes a DC / DC converter using the stability analysis method of discontinuous control theory, There is no need to linearize the system, the analysis for system stability is more accurate, and at the same time simplifies the analysis process.
3、Lyapunov関数方法によりDC / DCコンバータを分析するとき、システムのLyapunov関数は構築が難しく、特に高次元マルチサブシステムの切換システムであり、現在Lyapunov関数を構築するよい方法がなく、従ってLyapunov安定性分析方法の応用も制限され、特にコンバータのようなマルチサブシステムの切換システムにおいて、現在マルチLyapunov関数しか発見されていなく、適切な共同Lyapunov関数がまだ発見されていなく、安定性分析が進めにくく、本発明は不連続制御理論の安定性分析方法に基づき、従来のLyapunov関数分析方法が適切なLyapunov関数を構築する必要があることを避け、その同時に当該方法により回路パラメータ設計プロセスを簡素化することができる。 3. When analyzing a DC / DC converter by the Lyapunov function method, the Lyapunov function of the system is difficult to build, especially a high-dimensional multi-subsystem switching system, there is currently no good way to build the Lyapunov function, and therefore Lyapunov stable. The application of sexual analysis methods is also limited, especially in multi-subsystem switching systems such as converters, where only multi-Lyapunov functions are currently found, suitable joint Lyapunov functions have not yet been found, making stability analysis difficult to proceed. , The present invention is based on the stability analysis method of the discontinuous control theory, avoids the need for the conventional Lyapunov function analysis method to construct an appropriate Lyapunov function, and at the same time simplifies the circuit parameter design process by the method. be able to.
4、従来のDC / DCコンバータの安定性分析により取得された安定は指数安定より収束速度が遅く、且つシステムの収束速度を正確に記述することができなく、本発明が不連続制御理論の安定性分析方法を採用しDC / DCコンバータの安定性が指数安定であると判断し、指数安定は従来の安定性より収束速度がもっと速く、且つ当該分析方法によりシステム収束速度の指数記述を取得することができる。 4. The stability obtained by the stability analysis of the conventional DC / DC converter has a slower convergence speed than the exponential stability, and the convergence speed of the system cannot be described accurately. The stability of the DC / DC converter is judged to be exponential stable by adopting the sex analysis method, and the exponential stability has a faster convergence speed than the conventional stability, and the exponential description of the system convergence speed is obtained by the analysis method. be able to.
5、本発明が不連続制御理論の安定性分析方法に基づき、コンピュータの計算ツールにより適切な指数安定の回路パラメータを自動発見することができる。 5. The present invention can automatically find appropriate exponential stability circuit parameters by a computer calculation tool based on the stability analysis method of discontinuous control theory.
以上に述べたのはただ本発明の具体的な実施方式で、しかし本発明の保護範囲はここに限らないである。全部の創造的な労働を通じなく思いついた変化と取替は本発明の保護範囲にカバーされる。だから本発明の保護範囲は権利要求書が限定される保護範囲を標準とする。 The above is merely a specific embodiment of the present invention, but the scope of protection of the present invention is not limited to this. Changes and replacements that come to mind through all creative labor are covered by the scope of the invention. Therefore, the scope of protection of the present invention is based on the scope of protection in which the request for rights is limited.
Claims (2)
前記ステップS1は、DC / DCコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、これにより不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得し;
前記ステップS2は、不連続制御理論指数安定性分析方法により、導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を利用しDC / DCコンバータシステムの指数安定性を判断し、DC / DCコンバータ指数収束速度を計算し、
前記ステップS1が更に下記を含む:
DC / DCコンバータに対しモデリングを行い、当該コンバータの初期状態空間方程式を取得し;
当該初期状態空間方程式に対し変換導出を行い、不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得し、
前記ステップS1において、BUCKコンバータに対しモデリングを行い、状態変数
χ1=iL
が誘導電流であり、
χ2=VC
が容量電圧であり、取得したBUCKコンバータの状態空間方程式が:
その中には、
その中には、Rが負荷抵抗の抵抗値であり、Cが容量値であり、Lがインダクタンス値であり、Eが入力電圧値であり、
不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式が:
その中には:
前記ステップS2において、前記不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータ
の状態空間方程式を不連続制御理論の線形不等式に代入し解き、システムの収束速度を計算し取得し、
前記不連続制御理論が下記の通りである:
(1)PA+ATP+ε1P2+ε1-1L+g1P+PK+KTP≦0
(2)PA+ATP+ε2P2+ε2-1L−g2P≦0
(3)τg1−(T−τ)g2>0
(その中には、g1/g2が求める必要がある定数であり、Aが状態空間方程式の行列Aであり;ATが行列Aの転置を表し;τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期であり、Lが対角行列L=diag(l1,l2,...,ln)≧0である)を成立させる対称の正定値行列P>0、正の定数gi>0、とεi>0(i=1,2)が存在すれば、システムの原点が指数安定し、
前記ステップS2において、
In step S1, the conversion is derived for the DC / DC converter system model, thereby obtaining the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method;
In step S2, the exponential stability of the DC / DC converter system is determined using the state-space equation of the DC / DC converter derived by the discontinuous control theory exponential stability analysis method, and the exponential convergence speed of the DC / DC converter is determined. Calculate and
The step S1 further includes:
Model the DC / DC converter and obtain the initial state-space equation for the converter;
Convert and derive the initial state-space equation, obtain the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method, and obtain it.
In step S1, modeling is performed on the BUCK converter, and the state variables
χ 1 = i L
Is the induced current,
χ 2 = V C
Is the capacitance voltage, and the obtained BUCK converter state-space equation is:
Among them
Among them, R is the resistance value of the load resistance, C is the capacitance value, L is the inductance value, and E is the input voltage value.
Discontinuous control theory The state space equation of the BUCK converter applied to the stability analysis method is:
Among them:
In step S2, the state-space equation of the BUCK converter applied to the discontinuity control theory stability analysis method is substituted into the linear inequality of the discontinuity control theory and solved, and the convergence speed of the system is calculated and obtained.
The discontinuous control theory is as follows:
(1) PA + A T P + ε 1 P 2 + ε 1 - 1 L + g 1 P + PK + K T P ≦ 0
(2) PA + A T P + ε 2 P 2 + ε 2 - 1 L-g 2 P ≦ 0
(3) τg 1 − (T−τ) g 2 > 0
(In it, g 1 / g 2 is the constant that needs to be found, A is the matrix A of the state-space equations; A T represents the transpose of the matrix A; τ is the switch-on time, T Is the system period, and L is a symmetric definite matrix P> 0 that holds the diagonal matrix L = diag (l 1 , l 2 , ..., l n ) ≥ 0), and a positive constant g i. If> 0, and ε i > 0 (i = 1,2) exist, the origin of the system is exponentially stable.
In step S2
前記変換導出ユニットは、DC / DCコンバータシステムモデルに対し変換導出を行い、これにより不連続制御理論安定性分析方法に適用するDC / DCコンバータ状態空間方程式を取得し;
前記安定性判断分析ユニットは、不連続制御理論指数安定性分析方法により、導出されたDC / DCコンバータの状態空間方程式を利用しDC / DCコンバータシステムの指数安定性を判断し、DC / DCコンバータ指数収束速度を計算し、
前記変換導出ユニットが変換導出により下記の不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式を取得する:
前記安定性判断分析ユニットが前記不連続制御理論安定性分析方法に適用するBUCKコンバータの状態空間方程式を不連続制御理論の線形不等式に代入し解き、システムの収束速度を計算し取得することを特徴とするDC / DCコンバータ安定性分析システムであること、
前記不連続制御理論は下記のとおりであること、
(1)PA+ATP+ε1P2+ε1-1L+g1P+PK+KTP≦0
(2)PA+ATP+ε2P2+ε2-1L−g2P≦0
(3)τg1−(T−τ)g2>0
(その中には、g1/g2が求める必要がある定数であり、Aが状態空間方程式の行列Aであり;ATが行列Aの転置を表し;τがスイッチオン時間であり、Tがシステム周期であり、Lが対角行列L=diag(l1,l2,...,ln)≧0である)を成立させる対称の正定値行列P>0、正の定数gi>0、とεi>0(i=1,2)が存在すれば、システムの原点が指数安定し、
被制御システムの指数収束速度が、
を特徴とするDC / DCコンバータ安定性分析システム。 Includes transformation derivation unit and stability discriminant analysis unit
The conversion derivation unit performs conversion derivation for the DC / DC converter system model, thereby obtaining the DC / DC converter state-space equation to be applied to the discontinuous control theory stability analysis method;
The stability judgment analysis unit judges the exponential stability of the DC / DC converter system by using the state-space equation of the DC / DC converter derived by the discontinuous control theory exponential stability analysis method, and determines the exponential stability of the DC / DC converter. Calculate the exponential convergence speed,
The conversion derivation unit obtains the state-space equation of the BUCK converter applied to the following discontinuous control theory stability analysis method by conversion derivation:
The stability judgment analysis unit substitutes the state-space equation of the BUCK converter applied to the discontinuity control theory stability analysis method into the linear inequality of the discontinuity control theory and solves it, and calculates and obtains the convergence speed of the system. it is a DC / DC converter stability analysis system and,
The discontinuous control theory is as follows.
(1) PA + A T P + ε 1 P 2 + ε 1 - 1 L + g 1 P + PK + K T P ≦ 0
(2) PA + A T P + ε 2 P 2 + ε 2 - 1 L-g 2 P ≦ 0
(3) τg 1 − (T−τ) g 2 > 0
(In it, g 1 / g 2 is the constant that needs to be found, A is the matrix A of the state-space equations; A T represents the transpose of the matrix A; τ is the switch-on time, T Is the system period, and L is a symmetric definite matrix P> 0 that holds the diagonal matrix L = diag (l 1 , l 2 , ..., l n ) ≥ 0), and a positive constant g i. If> 0, and ε i > 0 (i = 1,2) exist, the origin of the system is exponentially stable.
The exponential convergence speed of the controlled system
A DC / DC converter stability analysis system featuring.
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