一种采用DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器控制方法技术

本发明专利技术提出了一种采用DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器控制方法，主电路模块包括Buck变换器，其输入端连接直流电源，其输出端可与负载连接直接供电。通过DSP芯片的ADC模块对Buck变换器的输出电压进行采集。输出电压采集模块包括2个高精电阻。控制模块包括DSP控制芯片。驱动电路模块包括电力场效应管驱动电路单元。其中二阶滑模控制算法通过DSP数字控制实现。二阶滑模算法其优点在于不仅具有传统滑模抗扰动能力强的特点，同时通过加入滞环，使得控制量切换频率不会过高，从而降低了Buck变换器的开关损耗。本发明专利技术适用于对输出电压抗扰动性要求高，电路能耗低的Buck变换器，并且具有便于调参，算法修改灵活等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子领域，尤其涉及一种DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器控 制方法。
技术介绍
近年来，Buck变换器被广泛应用于车载电源、太阳能电池、医疗设备等领域。传统 的脉宽调制（PWM)控制方法仍然是目前应用最广泛的控制方法。这种方法的优势在于通过 固定的开关频率，使其开关损耗少，同时具有较强的电磁兼容性（EMI)。 然而，由于这是一种基于小信号模型设计的控制方法，在Buck变换器受到大信号 干扰时，输出电压无法保持较高的精确度，且参数摄动与外部扰动对输出电压带来很大的 影响。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术存在的不足，提出了一种DSP实现二阶滑模控制的Buck 变换器控制方法。针对这种情况，采用滑模控制，可以利用其强鲁棒性的特点，克服参数摄 动与外部扰动对输出电压带来的影响。 本专利技术提出了一种DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器控制方法，采用DSP处理 器实现对Buck变换器的二阶滑模控制，省去了电流采样电路，简化了滑模面的选取，并且 使Buck变换器具有良好的抗扰动性。本专利技术提出的二阶滑模控制器，可以使滑模变量及其 微分同时收敛于零点，结合DSP的实现方法，可以在固定频率下对Buck进行控制，不会产生 额外的开关损耗。 为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术的技术方案为：一种采用DSP实现二阶滑模 控制的Buck变换器控制方法，包括： 步骤1，建立DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器的硬件设计； 步骤2,设定Buck变换器的输出给定值； 步骤3, DSP芯片的ADC模块采用eP丽启动方式，对Buck变换器的输出电压进行 米样； 步骤4, DSP芯片通过计算得到输出电压与给定值之间的误差量以及其微分：将 第T-I个采样周期的输出电压与Buck变换器的输出给定值相减，得到滑模变量S(T-I)， 将第T个采样周期的输出电压与给定值相减，得到滑模变量 S(T)，T为控制周期；根据 §(T)= /T，S(1)=0,计算得滑模变量的微分S(T); 步骤5, DSP芯片根据二阶滑模控制律对误差量进行分析计算得到控制量；根据 U〈T) = sjgR(s(T)j -? s:+(J) 计算得到状态量 u，其中 |3 > 0 ;当 u (T) > X 时，控制量 U(T) = 0,当 u(T) < - A 时，控制量 U(T) = 1 ;步骤6，通过DSP芯片的ePWM模块输出控制量，对电力场效应管的开关状态进行控 制，使输出电压无偏差的跟踪上给定值。 进一步，所述步骤1的Buck变换器的硬件设计包括对Buck变换器、Buck输出电 压采样电路、DSP芯片、隔离驱动电路的硬件设计；所述Buck变换器分别与直流电源、负载、 隔离驱动电路、Buck输出电压采样电路相连接，所述DSP芯片分别和Buck输出电压采样电 路、隔离驱动电路相连接；所述Buck变换器的输入端连接直流电源，输出端与负载连接直 接供电；通过DSP芯片的ADC模块对分压后的Buck变换器输出电压进行采集，实现二阶滑 模控制算法；Buck输出电压采样电路包括2个高精电阻，隔离驱动电路包括电力场效应管 驱动电路单元。 进一步，所述的步骤3具体过程为： 步骤3-1，对Buck变换器的输出端进行分压，采用2个高精电阻，按照一定比例对 输出电压进行分压； 步骤3-2,设定ePWM模块的周期寄存器TBPRD值； 步骤3_3，DSP芯片的ADC模块接受到ePWM模块的启动信号后，对分压后的输出电 压进行采集； 步骤3-4,按照高精电阻的比例，对所采集的输出电压进行计算，得到Buck变换器 的实际输出电压。 进一步，所述步骤5中，通过调整0的大小，来使Buck变换器稳态时输出电压实 现小误差，同时保持满意的动态性能；当稳态误差较大时，需要增大0值，当反应速度较慢 时，需要减小0值。 进一步，所述步骤5中，通过调整A的大小，来调整PWM信号的频率，当PWM信号 频率过尚时，需要增大X值，反之，需要减小X值。 进一步，所述的步骤6具体过程为： 步骤6-1，通过DSP芯片的ePWM模块输出控制量U，当U = O时，令比较寄存器CAMP =0,当U = 1时，令比较寄存器CAMP =周期寄存器TBPRD ; 步骤6-2,由于DSP芯片的输出电压不足以开通电力场效应管，需要加入驱动电 路；可采用一个光耦驱动TLP250,芯片电源VCC选择15V，当DSP芯片输出低电平时，TLP250 输出0V，关闭电力场效应管；当DSP芯片输出高电平时，TLP250输出15V，开通电力场效应 管。 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，在现场调试中，仅仅需要调整系数，就能根据实际需求得到满意的控制效果。 2,在系统正常运行后，开关频率为定值，并且开关频率可以通过系数来调节，减小 了由于开关频率过高带来的损耗。 3,具有很好的鲁棒性，在电路参数发生变化时，能保证输出电压的准确性。 4,不需要电流传感器，简化了电路结构。 5,采用DSP处理器，提高了滑模算法的快速性，同时在算法修改，优化，参数整定 时更加便捷。二阶滑模算法其优点在于不仅具有传统滑模抗扰动能力强的特点，同时通过 加入滞环，使得控制量切换频率不会过高，从而降低了 Buck变换器的开关损耗。本专利技术适 用于对输出电压抗扰动性要求高，电路能耗低的Buck变换器，并且具有便于调参，算法修 改灵活等优点。【附图说明】 图1是本专利技术的控制模块连接图； 图2是本专利技术的硬件原理图，其中实现箭头表示信号的流动方向； 图3是本专利技术的隔离驱动电路； 图4是本专利技术的主程序流程图； 图5是本专利技术的二阶滑模算法流程图。【具体实施方式】 下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述。 滑模控制器结构简单，便于实现，其主要的实现方法包括：1，通过运算放大器等元 件设计模拟电路；2,通过DSP或微控制器（MCU)设计算法程序。前一种方式的特点是成本 低，但电路复杂，损耗大，可靠性低，后一种方式的特点是低功耗，可靠性强，算法灵活，便于 调参。在可控因素多，管理多个电源，复杂的高性能系统应用中，后一种方式的使用更加广 泛。 如图1所示，采用DSP实现二阶滑模的Buck变换器包括硬件设计和软件设计两个 部分。该控制的硬件部分包括主电路模块，输出电压采集模块，控制模块和隔离驱动电路。 主电路模块包括Buck变换器，其输入端连接直流电源，其输出端可与负载连接直接供电， 这里的直流电源输入高于输出端的期望值；通过DSP芯片的ADC模块对Buck变换器的输出 电压进行采集。Buck输出电压采样电路包括2个高精电阻。控制模块包括DSP控制芯片。 隔离驱动电路包括电力场效应管驱动电路单元。其中二阶滑模控制算法通过DSP数字控制 实现。二阶滑模算法其优点在于不仅具有传统滑模抗扰动能力强的特点，同时通过加入滞 环，使得控制量切换频率不会过高，从而降低了 Buck变换器的开关损耗。本专利技术适用于对 输出电压抗扰动性要求高，电路能耗低的Buck变换器，并且具有便于调参，算法修改灵活 等优点。 图2为一种采用DSP实现二阶滑模的Buck变换器硬件原理框图。 图2中，Vin为输入电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器控制方法，其特征在于，包括：步骤1，建立DSP实现二阶滑模控制的Buck变换器的硬件设计；步骤2，设定Buck变换器的输出给定值；步骤3，DSP芯片的ADC模块采用ePWM启动方式，对Buck变换器的输出电压进行采样；步骤4，DSP芯片通过计算得到输出电压与给定值之间的误差量以及其微分：将第T‑1个采样周期的输出电压与Buck变换器的输出给定值相减，得到滑模变量s(T‑1)，将第T个采样周期的输出电压与给定值相减，得到滑模变量s(T)，T为控制周期；根据计算得滑模变量的微分步骤5，DSP芯片根据二阶滑模控制律对误差量进行分析计算得到控制量；根据计算得到状态量u，其中β＞0；当u(T)＞λ时，控制量U(T)＝0，当u(T)＜‑λ时，控制量U(T)＝1；步骤6，通过DSP芯片的ePWM模块输出控制量，对电力场效应管的开关状态进行控制，使输出电压无偏差的跟踪上给定值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁世宏，王加典，马莉，孙金林，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32