用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于双管Buck‑Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法。本发明专利技术针对双管Buck‑Boost变换器存在右半平面零点的特点，采用滞环电流控制器，滞环的加入使得控制量切换频率不会过高；针对变换器输入范围较宽的特点，引入自适应前馈，根据输入电压的变化改变滞环宽度，在输入电压变化时，使开关频率在较小范围内变化；针对稳态开关频率受负载变化影响的特点，引入自适应反馈，根据负载的变化调节滑动系数，使负载变化时维持开关频率不变。本发明专利技术所述控制器的设计和实现比较简单，响应速度较快，表现出较强的稳定性和鲁棒性，可应用于输入电压宽范围变化以及负载变化较大场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，属于电力电子

技术介绍
随着电力电子技术的发展，电力电子变换器得到了越来越广泛的应用。在风能和太阳能发电、地下矿井供电、通讯电源以及军用特种车供电电源等场合，要求电力电子变换器将宽范围变化的直流输入电压变换为恒定直流电压输出。在这些场合，由于具有输入输出电压极性相同、无源元件少、开关管电压应力低等优点，双管Buck-Boost变换器得到了广泛应用。PWM控制方法是双管Buck-Boost变换器常用的控制方法。但是，该控制方法使用了小信号模型，只有在特定条件下，双管Buck-Boost变换器才能工作在最优状态下；当存在大信号瞬态变化时，双管Buck-Boost变换器的行为无法充分地反映出来，且在参数摄动和外界干扰时变换器的稳定性会受到影响。相较于PWM控制，滑模控制可以保证系统在参数不确定情况下的稳定性和鲁棒性，且控制器的设计和实现比较简单，响应速度较快。虽然滑模控制具有上述优点，但是，其在应用中的主要问题是开关频率不固定的特性，这会造成过大的功率损耗和电磁干扰。
技术实现思路
为克服滑模控制应用于双管Buck-Boost变换器时的不足，本专利技术提出了一种自适应滞环滑模控制方法。该方法使用滑模控制确保参数摄动和外部干扰时系统的稳定性和鲁棒性，加入滞环调制，使得控制量切换频率不会过高，通过引入自适应控制，消除开关频率的变化。自适应前馈根据输入电压vin的变化改变滞环宽度κ，自适应反馈根据输出负载的变化修改控制参数α（即滑动系数）。该控制方法适用于输入电压宽范围变化以及负载变化较大场合。为了实现上述目的，用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法按以下步骤实现，包括：步骤1，双管Buck-Boost变换器数学模型建立；步骤2，根据所述数学模型中的iL和vc，构建控制轨线函数S；步骤3，根据到达条件，确定控制律u1和u2；步骤4，求解满足存在条件的不等式关系；步骤5，确定滞环宽度κ和开关频率fs间的关系；步骤6，自适应前馈的设计与实现；步骤7，自适应反馈的设计与实现；步骤8，变换器工作模式（Buck模式和Boost模式）的选择。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：1)滑模控制提供了出色的大信号处理能力，使得变换器能够在更大的工作范围内获得更好的调节性能和动态性能；2)加入滞环调制，解决了滑模控制以极高频率切换的实际问题，使控制具有有限的切换频率；3)引入自适应控制，分别通过自适应前馈和自适应反馈针对输入电压和负载改变时引起的开关频率的变化进行消除，使变换器工作在固定开关频率下，增强了系统的稳定性和鲁棒性；4)本专利技术将自适应控制引入到滞环滑模控制器中，在概念上更为直接，不仅保持了滑模控制原有的特性，且不会使瞬态响应恶化，有效地避免了多种方法结合使用而导致的设计复杂、结构庞大、灵活性差等问题。附图说明图1是双管Buck-Boost变换器电路结构图；图2是双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法的结构框图；图3是双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法的系统图。具体实施方式具体实施方式一：下面结合图1说明双管Buck-Boost变换器数学模型建立过程，双管Buck-Boost变换器由Buck变换器和Boost变换器级联并简化得到，根据输入电压与理想输出电压大小比较，变换器可分别工作在Buck模式和Boost模式。（1）当输入电压高于输出电压时，可控开关管Q2保持断开，二极管D2导通，控制可控开关管Q1来调节输出电压，变换器等效于一个Buck变换器，得到Buck模式下变换器的数学模型满足： （1）其中，所述L为滤波电感，C为滤波电容，R为负载电阻，vin为输入电压瞬时值，vc为输出电压瞬时值，iL为电感电流瞬时值，u1为Buck模式下变换器的状态函数，当u1=1时，变换器处于电感充电阶段，当u1=0时，变换器处于电感放电阶段。（2）当输入电压低于输出电压时，可控开关管Q1保持闭合，二极管D1反向截止，控制可控开关管Q2来调节输出电压，变换器等效于一个Boost变换器，得到Boost模式下变换器的数学模型满足： （2）其中，所述u2为Boost模式下变换器的状态函数，当u2=1时，变换器处于电感充电阶段，当u2=0时，变换器处于电感放电阶段。联合公式（1）和公式（2），则双管Buck-Boost变换器在Buck模式和Boost模式下的统一数学模型为： （3）具体实施方式二：根据所述数学模型中的iL和vc，构建控制轨线函数S，使S满足： （4）其中，所述IL为电感电流直流分量，α为正控制系数，称其为滑动系数，Vref为参考输出电压，β为输出电压采样电路的比例系数，并满足Vref =β×Vo，Vo为理想输出电压值。实际电路中，令采样的电感电流iL经过一个高通滤波器，来等效获得iL−IL。具体实施方式三：整个滑模运动可以分为两个阶段，第一个阶段（称为到达阶段），不考虑控制轨线S的初始位置，滑模控制将强迫轨线向滑动流形移动，该过程需要符合到达条件方可实现。到达条件要求所选的控制决策引导系统的轨线接近并最终达到滑动流形，即满足： （5）（1）当S>0时，由式（5），则需要满足，由式（4），则需要满足： （6）当变换器处于Buck模式时，则需满足，可控开关管Q1的控制信号u1=0；当变换器处于Boost模式时，则需满足，可控开关管Q2的控制信号u2=1。（2）当S<0时，由式（5），则需满足，由式（4），则需满足： （7）当变换器处于Buck模式时，则需满足，可控开关管Q1的控制信号u1=1；当变换器处于Boost模式时，则需满足，可控开关管Q2的控制信号u2=0。导出保证双管Buck-Boost变换器满足到达条件的约束条件为： （8）得到可控开关管Q1的控制信号u1为： （9）得到可控开关管Q2的控制信号u2为： （10）采用滞环函数实现滑模控制，将式（9）和式（10）重新定义，可表示为： （11） （12）其中，所述κ为滞环宽度。具体实施方式四：当轨线到达滑动流形，系统进入控制过程的第二个阶段（称为滑动阶段），为了确保轨迹保持于滑动线上，系统必须满足存在条件： （13）结合式（4），将式（13）重新整理，可得： （14）其中，所述ξ为任意小的正数。结合式（9），将式（14）重新整理，可得Buck模式下存在条件为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于双管Buck‑Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，其特征在于，包括：步骤1，双管Buck‑Boost变换器数学模型建立；步骤2，根据所述数学模型中的iL和vc，构建控制轨线函数S；步骤3，根据到达条件确定控制律u1和u2；步骤4，求解满足存在条件的不等式关系；步骤5，明确滞环宽度κ和开关频率fs间的关系；步骤6，自适应前馈的设计与实现；步骤7，自适应反馈的设计与实现；步骤8，变换器两种工作模式（Buck模式和Boost模式）的选择。

【技术特征摘要】
1.一种用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，其特征在于，包括：步骤1，双管Buck-Boost变换器数学模型建立；步骤2，根据所述数学模型中的iL和vc，构建控制轨线函数S；步骤3，根据到达条件确定控制律u1和u2；步骤4，求解满足存在条件的不等式关系；步骤5，明确滞环宽度κ和开关频率fs间的关系；步骤6，自适应前馈的设计与实现；步骤7，自适应反馈的设计与实现；步骤8，变换器两种工作模式（Buck模式和Boost模式）的选择。2.根据权利要求1所述的用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，其特征在于步骤1具体为：（1）当输入电压高于输出电压时，可控开关管Q2保持断开，二极管D2导通，控制可控开关管Q1来调节输出电压，变换器等效于一个Buck变换器，得到Buck模式下变换器的数学模型满足： （1）其中，所述L为滤波电感，C为滤波电容，R为负载电阻，vin为输入电压瞬时值，vc为输出电压瞬时值，iL为电感电流瞬时值，u1为Buck模式下变换器的状态函数，当u1=1时，变换器处于电感充电阶段，当u1=0时，变换器处于电感放电阶段；（2）当输入电压低于输出电压时，可控开关管Q1保持闭合，二极管D1反向截止，控制可控开关管Q2来调节输出电压，变换器等效于一个Boost变换器，得到Boost模式下变换器的数学模型满足： （2）其中，所述u2为Boost模式下变换器的状态函数，当u2=1时，变换器处于电感充电阶段，当u2=0时，变换器处于电感放电阶段；联合公式（1）和公式（2），则双管Buck-Boost变换器在Buck模式和Boost模式下的统一数学模型为： （3）。3.根据权利要求1所述的用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，其特征在于步骤2具体为：根据所述数学模型中的iL和vc，构建控制轨线函数S，使S满足： （4）其中，所述IL为电感电流直流分量，α为正控制系数，称其为滑动系数，Vref为参考输出电压，β为输出电压采样电路的比例系数，并满足Vref =β×Vo，Vo为理想输出电压值。4.根据权利要求1所述的用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，其特征在于步骤3具体为：到达条件要求所选的控制决策引导系统的轨线接近并最终达到滑动流形，即满足： （5）（1）当S>0时，由式（5），则需要满足，由式（4），则需要满足： （6）当变换器处于Buck模式时，则需满足，可控开关管Q1的控制信号u1=0；当变换器处于Boost模式时，则需满足，可控开关管Q2的控制信号u2=1；（2）当S<0时，由式（5），则需满足，由式（4），则需满足： （7）当变换器处于Buck模式时，则需满足，可控开关管Q1的控制信号u1=1；当变换器处于Boost模式时，则需满足，可控开关管Q2的控制信号u2=0；导出保证双管Buck-Boost变换器满足到达条件的约束条件为： （8）得到可控开关管Q1的控制信号u1为： （9）得到可控开关管Q2的控制信号u2为： （10）采用滞环函数实现滑模控制，将式（9）和式（10）重新定义，可表示为： （11） （12）其中，所述κ为滞环宽度。5.根据权利要求1所述的用于双管Buck-Boost变换器的自适应滞环滑模控制方法，其特征在于步骤4具体为：满足到达条件时，系统轨迹将最终到达由S确定的滑动线，式（11）和式（12）的控制律使驱动轨迹向滑动线运动的一般性要求得到满足，为了确保轨迹保持于滑动线上，系统必须满足存在条件： （13）结合式（4），将式（13）重新整理，可得： （14）其中，所述ξ为任意小的正数；结合式（9），将式（14）重新整理，可得Buck模式下存在条件为： （15）将式（3）代入式（15），可得： ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡刚，王琳，高蕾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37