一种Boost DC-DC变换器非连续控制方法技术

本发明专利技术提出了一种Boost DC‑DC变换器非连续控制方法。包括：S1，建立Boost DC‑DC变换器数学模型，建立以输出电压和电感电流为横纵坐标的相平面，获得输出电压控制的优化轨迹曲线；S2，建立Boost DC‑DC变换器有限状态机控制器，分析控制器原理和系统运动轨迹，计算优化模态切换条件，设计状态切换触发条件；S3，建立增加参考电流更新值和补偿值的改进的有限状态机控制器。

A Discontinuous Control Method for Boost DC-DC Converter

【技术实现步骤摘要】
一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法
本专利技术涉及自动化控制领域，尤其涉及一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法。
技术介绍
电力电子技术的高速发展使电力电子装置在电子、计算机、新能源发电等领域有了大规模的应用，人们对良好的电能品质输出也有了更高的要求。传统的线性控制方法很难在复杂的应用场景下保证电能的高质量输出。近年来，越来越多的学者投入到电子电力变换器的非线性控制研究中。其中，BoostDC-DC变换器是较常用的电力电子变换器之一，是典型的非线性时变系统。在连续电流模式下，变换器的小信号传递函数出现了不期望的右半平面零点，该系统具有非最小相位的特性。系统的建模、稳定性和输出电压的性能控制成为控制领域所关注的焦点。传统的线性控制方法仅仅在工作点附近实现较好的控制效果，对参数变化较为敏感、在负载扰动下的动态响应速度较慢。一些非线性控制技术能够实现对变换器输出电压的较快速的稳定控制，对负载扰动也具有较好的鲁棒性，但往往需要较为复杂的硬件实现、算法不易于更新等。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法。本专利技术提出了一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法。以系统较好的动态性能和在参数不确定和负载扰动下较好的鲁棒性为目标，本方法采用一种BoostDC-DC变换器有限状态机控制器，其物理实现简单，具有较好的动态性能，能够实现输出电压的快速无超调控制以及在负载扰动下较好的鲁棒性。为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法，其关键在于，包括：步骤1，建立BoostDC-DC变换器数学模型，建立以输出电压和电感电流为横纵坐标的相平面，获得输出电压控制的优化轨迹曲线；步骤2，建立BoostDC-DC变换器有限状态机控制器，分析控制器原理和系统运动轨迹，计算优化模态切换条件，设计状态切换触发条件；步骤3，建立增加参考电流更新值和补偿值的改进的有限状态机控制器。所述的BoostDC-DC变换器非连续控制方法，优选的，所述步骤1包括：建立BoostDC-DC变换器数学模型，BoostDC-DC变换器在两种模态下统一的微分方程为：其中Vg代表输入电压，vo是输出电压，iL代表电感电流，R是负载电阻，L是储能电感，C是滤波电容，g1、g2是开关管。u＝1，g1导通g2关闭，u＝0，g2导通g1关闭。建立以Vo和为相平面的横纵坐标，根据变换器数学模型，可得BoostDC-DC变换器在OFF状态下的轨迹方程为一个圆其中(Vg,0)为圆的圆心，roff1为圆的半径，令可得圆的方程为iLn2+(vo-Vg)2＝roff12。可得BoostDC-DC变换器在ON状态下的轨迹方程为一条直线其中voinit为输出电压的初值，iLinitn为电感电流标准化后的初值。所述的BoostDC-DC变换器非连续控制方法，优选的，所述步骤2包括：步骤2-1，建立有限状态机控制器，以电感电流iL和输出电压vo为状态变量，有限状态机控制器由5个状态组成，其中包括一个初始状态initial_state和四个切换状态AOFF-,AON-,AOFF+,AON+。其中，状态AOFF-,AON-对应的是输出电压初始值小于参考电压，即vo＜vref。状态AOFF+,AON+对应的是输出电压大于参考电压即vo＞vref。Mode1对应g1导通，g2关断，输出电容放电。Mode1对应g2导通，g1关断，输出电容充电。当切换到状态AOFF+和状态AOFF-时，表示电感电流iL在减小。当切换到状态AON+和状态AON-时，表示电感电流iL正在增加。步骤2-2，状态机的工作从初始状态开始，若起始时刻vo＜vref，则有限状态机进入到状态AON-，此时u＝1，g1导通，g2关断，电源给电感支路供电，电流流过电感给电感充电。当满足切换条件圆的实时半径和圆的参考半径r2real_time≥r2ref时，状态切换进入到状态AOFF-，此时u＝0，g2导通g1关闭，电感放电，电容充电，电源和电感同时给输出端供电使得输出端电压抬高实现升压，电感电流持续减小。当满足切换条件iLn≤iLref'时，状态切换进入状态AON-，此时的电感充电，电容放电稳定输出电压,其中iref'为标准化后的参考电感电流表示。在状态AOFF-，输出电压持续上升，若满足vo＞vref，切换到AOFF+状态，此时u＝0，电感电流持续下降，当满足切换条件k≤k1时状态切换进入AON+状态，这里的k为运动轨迹相对的参考点的斜率，k1为初始斜率，且voinit为OFF状态起始点所对应的电压值。在状态AON+中，u＝1，电感电流持续上升，当满足切换条件iLn≥iLref'时，状态切换至AOFF+。若起始时刻vo＞vref，则进入到AOFF+状态。所述的BoostDC-DC变换器非连续控制方法，优选的，所述步骤3包括：步骤3-1，采用步骤2-1所示的状态机结构,若在AON-状态在满足切换条件r2real_time≥r2ref时切换至AOFF-状态。在AOFF-状态中，在不加补偿值的情况下，切换条件圆的轨迹半径R始终小于实际参考圆轨迹半径Rref，使得系统在进入AOFF-状态之后始终无法沿圆轨迹到达参考点，最终经过有限个开关周期在左半平面形成一个极限环。因此需要切换条件中需要添加合适补偿值，致使状态轨迹能够达到右半平面，并在参考点附近形成稳定的极限环。AON-切换至AOFF-的切换条件变为r2real_time≥r2ref+β。步骤3-2，为了实现控制器在负载扰动下较好的鲁棒性，需要对负载电阻阻值进行计算，并且更新切换条件中的参考电感电流值，本方法通过检测输出电流来实现对负载电阻的计算和对参考电感电流值的更新。检测输出电流值为io，则负载电阻阻值为根据BoostDC-DC变换器输入输出功率守恒公式Pin＝Pout可得Vg·iL＝io·vo可以求出电感电流iref的更新值为加入补偿值β后，BoostDC-DC变换器控制系统在到达稳态时，OFF状态的轨迹方程为：设OFF状态切换至ON状态的切换点横坐标近似为vref+0.01，又因为ON状态直线轨迹经过参考点(iref,vref)，因此可得ON状态的直线方程为：由以上条件可以求出输出电压纹波和电感电流纹波值与β的表达式，有关输出电压纹波和电感电流纹波的计算较为复杂，可以对其简化处理，简化后的输出电压纹波值为简化后的电感电流纹波值为其中综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.所述的控制方法在以输出电压vo和标准化电感电流为横纵坐标的相平面下，推导了OFF状态和ON状态下的相轨迹，其相轨迹表示适用于任何可变参数的Boost变换器。2.所述的控制方法设计的BoostDC-DC变换器有限状态机控制器，与传统的非线性方法对比，实现了输出电压的快速无超调控制，在负载扰动下具有较好的鲁棒性。3.所述的控制方法提出的有限状态机控制器物理实现简单，控制算法易于更新和改进。相比于一些非线性控制算法的理论研究，本专利技术所提出的方法能够在更多的实际场合进行应用。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Boost DC‑DC变换器非连续控制方法，其特征在于，包括：S1，建立Boost DC‑DC变换器数学模型，建立以输出电压和电感电流为横纵坐标的相平面，获得输出电压控制的优化轨迹曲线；S2，建立Boost DC‑DC变换器有限状态机控制器，分析控制器原理和系统运动轨迹，计算优化模态切换条件，设计状态切换触发条件；S3，建立增加参考电流更新值和补偿值的改进的有限状态机控制器。

【技术特征摘要】
1.一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法，其特征在于，包括：S1，建立BoostDC-DC变换器数学模型，建立以输出电压和电感电流为横纵坐标的相平面，获得输出电压控制的优化轨迹曲线；S2，建立BoostDC-DC变换器有限状态机控制器，分析控制器原理和系统运动轨迹，计算优化模态切换条件，设计状态切换触发条件；S3，建立增加参考电流更新值和补偿值的改进的有限状态机控制器。2.根据权利要求1所述的一种BoostDC-DC变换器非连续控制方法，其特征在于，所述S1包括：S1-1，建立BoostDC-DC变换器数学模型，BoostDC-DC变换器在两种模态下统一的微分方程为：其中Vg代表输入电压，vo是输出电压，iL代表电感电流，R是负载电阻，L是储能电感，C是滤波电容，g1、g2是开关管。u＝1，g1导通g2关闭，u＝0，g2导通g1关闭；S1-2，建立以Vo和为相平面的横纵坐标，根据变换器数学模型，可得BoostDC-DC变换器在OFF状态下的轨迹方程为一个圆其中(Vg,0)为圆的圆心，roff1为OFF状态下的圆的半径，令iLn为标准化的电感电流。可得圆的方程为iLn2+(vo-Vg)2＝roff12。可得BoostDC-DC变换器在ON状态下的轨迹方程为一条直线其中voinit为输出电压的初值，iLinitn为电感电流标准化后的初值。3.根据权利要求1所述的BoostDC-DC变换器非连续控制方法。其特征在于，所述S2包括：S2-1，建立有限状态机控制器，以电感电流iL和输出电压vo为状态变量，有限状态机控制器由5个状态组成，其中包括一个初始状态initial_state和四个切换状态AOFF-,AON-,AOFF+,AON+。其中，状态AOFF-,AON-对应的是输出电压初始值小于参考电压，即vo＜vref。状态AOFF+,AON+对应的是输出电压大于参考电压即vo＞vref。Mode1对应g1导通，g2关断，输出电容放电。Mode1对应g2导通，g1关断，输出电容充电。当切换到状态AOFF+和状态AOFF-时，表示电感电流iL在减小。当切换到状态AON+和状态AON-时，表示电感电流iL正在增加。S2-2，状态机的工作从初始状态开始，若起始时刻vo＜vref，则有限状态机进入到状态AON-，此时u＝1，g1导通，g2关断，电源给电感支路供电，电流流过电感给电感充电。当满足切换条件圆的实时半径和圆的参考半径r2real_time≥r2ref时，状态切换进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌睿，胡睿，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50