基于状态机控制器的Boost DC-DC变换器的负载预估方法技术

本发明专利技术提出了一种基于状态机控制器的Boost DC‑DC变换器的负载预估方法，包括：步骤1，根据Boost变换器选定的控制变量在不同的电路结构下建立微分方程，建立关于控制变量的相平面；对Boost变换器建立基于二阶滑模控制的有限状态机控制器，在无输出超调量的情况下，获得基于二阶滑模控制的有限状态机控制器收敛条件；步骤2，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面左半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程。步骤3，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面右半平面工作及稳态时的负载的预估公式和预估程序工作流程。

Load Prediction Method of Boost DC-DC Converter Based on State Machine Controller

【技术实现步骤摘要】
基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法
本专利技术涉及自动化控制领域，尤其涉及一种基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法。
技术介绍
脉宽调制(PWM)控制被广泛应用于直流——直流(DC-DC)变换器。它根据输出电压和其他状态变量获得输出切换信号，控制DC-DC变换器跟踪参考电压。这种方法需要用到输出误差的积分项来保证稳态时的零误差。其主要优点是能够让变换器在常值切换频率下工作，使得它具有很好的电磁兼容性(EMI)。然而，它也存在一些缺点：1)积分项可能减慢变换器的动态响应；2)它是基于小信号的控制方法，变换器的动态性能仅仅在平衡点附近的一个范围内得以保证。因此，人们开始研究简单，快速的控制方法例如混合数字自适应控制，近似时间最优控制，边界控制，Raster控制。滑模控制是一种非线性控制方法，它对参数不确定性和外部扰动具有很好的鲁棒性，能够满足变换器的大信号和小信号条件，是DC-DC变换器PWM控制的一种替代方法。传统的滑模控制用滑模面s＝0将状态控制划分为2个子空间，在不同子空间中采用不同的控制作用{U+,U-}，产生控制输出对变换器进行调节，使得系统动态轨迹保持在s＝0。滑模控制强调的是在不同的电路结构下使用一种切换函数，但是由于Boost变换器是非最小相位系统，在不同电路结构下无法只用一种切换函数就完成控制。边界控制方法，类似与高阶滑模控制方法，采用高阶切换面，可以实现很好的控制效果。但应用到Boost变换器的边界控制方法仍然需要同时测量电感电流和输出电流，这增加了控制方法的成本。边界控制方法在负载已知的情况下可以实现较好的动态响应，但如果负载扰动较大，其消耗的调整时间较长。系统无法在较大的负载范围内实现较好的鲁棒性。
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基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法。本专利技术提出一种基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法。负载预估方法以基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器电压控制方法为基础，通过分析状态机工作流程及电路的工作特性得到动态的负载更新方法。基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器电压控制方法以二阶滑模的切换函数思想为基础，在Boost变换器的两种电路结构下分别设计切换函数，使运动轨迹在切换平面的限制下按照规定轨迹运动，最终进入稳态的极限环。基于以上提出的状态机控制器结合具体的状态机工作流程，通过分析切换条件与负载之间的具体关系，在不检测输出电流的情况下得到在相平面左或右平面工作时的负载预估方法。为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，其关键在于，包括：步骤1，根据Boost变换器选定的控制变量在不同的电路结构下建立微分方程，建立关于控制变量的相平面；对Boost变换器建立基于二阶滑模控制的有限状态机控制器，在无输出超调量的情况下，获得基于二阶滑模控制的有限状态机控制器收敛条件；步骤2，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面左半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程。步骤3，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面右半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程。所述的基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，优选的，所述步骤1包括：步骤1-1，根据选定的控制变量在电路OFF-state结构下建立微分方程。选定的两个控制变量分别为电感电流iL和输出电压Vo，获取在以两个控制变量为坐标轴的相平面上的电路工作轨迹方程。已知Boost变换器OFF-state结构下的输入输出微分方程组为为了简化分析，设定为空载，即R→∞，可得如下等式这里，引入一个推导过程的中间量，电感和电容储存的能量E,其表达式如下E＝L*iL2/2+C*Vo2/2(3)对E求导得到的表达式如下：对求导得到的表达式如下：式(4)与式(5)相乘得令K＝C*Vg2/L，等式(6)两边同时对时间t积分得：将式(4)代入式(7)中得：为未知的常数，其值与电路的状态有关。为了几何表示的方便，令将式(9)代入式(8)中得：可以看到式(10)为圆的表达式，至此已经建立了在iL*和Vo这两个控制变量的坐标系下电路OFF-state结构的轨迹方程。步骤1-2，根据选定的控制变量在电路ON-state结构下建立微分方程。选定的两个控制变量分别为电感电流iL和输出电压Vo，获取在以两个控制变量为坐标轴的相平面上的电路工作轨迹方程。已知Boost变换器ON-state结构下的输入输出微分方程组为对式(11)两边同时对时间t积分得(iL0为电流初始值)：iL＝(Vg/L)*t+iL0(12)经式(11)推导可得输出电压Vo的表达式(Vo0为电压初始值)：式(12)和式(13)同时消去时间t可得iL与Vo的关系式:ln(Vo/Vo0)＝-L*(iL-iL0)/R*C*Vg(14)在ON-state结构下，输出电压下降的值很小，Vo/Vo0的值约等于1，可做近似处理ln(Vo/Vo0)≈Vo/Vo0-1(15)将式(15)带入(14)中可得：步骤1-3，设定状态机的有效状态和初始状态，使有效状态对应状态机控制器的输出量。状态机有四个有效状态为和一个初始状态。当输出电压Vo＜Vref时，系统工作在相平面左半平面，状态机由状态和驱动。当输出电压Vo＞Vref时，系统工作在右半平面，状态机由状态和驱动。和代表电路处在OFF-state结构，和代表电路处在ON-state结构，符号“+”代表右半平面。根据步骤1-1和步骤1-2所得的关于iL和Vo的微分方程，在相平面内结合几何学分析得到状态之间互相跳转的切换条件，即得到不同电路结构下的切换函数(切换平面)。Boost变换器的输入输出微分方程组为其中，u为控制量，当u＝1时，电路处于ON-state结构，当u＝0时，电路处于OFF-state结构。状态机的四个有效状态有相对应的控制量，和对应的控制量u＝0，和对应的控制量u＝1。当系统上电后，系统初始化，由初始状态启动，当输出电压Vo＜Vref时，状态机进入左半平面工作，由状态驱动，当状态机处于时若输出电压Vo＞Vref，则状态机进入右半平面工作，由状态驱动。当处于状态时，若输出电压Vo＞Vref则状态机重新进入左半平面工作。当电路结构处于OFF-state时，电路在相平面中的运动轨迹方程为由上式可见OFF-state结构下电路在相平面内的运动轨迹是以(0,Vg)为圆心的圆轨迹。当电路结构处于ON-state时，电路的运动轨迹方程为ON-state结构下的运动轨迹为直线，直线斜率与初始点有关。状态跳转至的切换条件分析：状态下电路处于ON-state结构，运动轨迹为直线。此状态下电感充能，电感电流上升，输出电压以很小的速率下降。当前工作点所在的圆形工作轨迹经过参考点时，充能完成，状态机切换至状态切换条件如下为经过参考点的圆轨迹的半径，其值为状态跳转至和的切换条件分析：当状态机处于时，输出电压上升，电感电流下降。此状态下的运动轨迹为圆轨迹，当电感电流下降到参考值以下时默认电感存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于状态机控制器的Boost DC‑DC变换器的负载预估方法，其特征在于，包括：S1，根据Boost变换器选定的控制变量在不同的电路结构下建立微分方程，建立关于控制变量的相平面；对Boost变换器建立基于二阶滑模控制的有限状态机控制器，在无输出超调量的情况下，获得基于二阶滑模控制的有限状态机控制器收敛条件；S2，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面左半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程；S3，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面右半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程。

【技术特征摘要】
1.一种基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，其特征在于，包括：S1，根据Boost变换器选定的控制变量在不同的电路结构下建立微分方程，建立关于控制变量的相平面；对Boost变换器建立基于二阶滑模控制的有限状态机控制器，在无输出超调量的情况下，获得基于二阶滑模控制的有限状态机控制器收敛条件；S2，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面左半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程；S3，根据状态机的工作流程和Boost电路的工作特点推导得到在相平面右半平面工作时的负载的预估公式和预估程序工作流程。2.根据权利要求1所述的基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，其特征在于，所述S1包括：S1-1，根据选定的控制变量在电路OFF-state结构下建立微分方程；选定的两个控制变量分别为电感电流iL和输出电压Vo，获取在以两个控制变量为坐标轴的相平面上的电路工作轨迹方程；S1-2，根据选定的控制变量在电路ON-state结构下建立微分方程；选定的两个控制变量分别为电感电流iL和输出电压Vo，获取在以两个控制变量为坐标轴的相平面上的电路工作轨迹方程；S1-3，设定状态机的有效状态和初始状态，使有效状态对应状态机控制器的输出量；状态机有四个有效状态为和一个初始状态；当输出电压Vo＜Vref时，系统工作在相平面左半平面，状态机由状态和驱动；当输出电压Vo＞Vref时，系统工作在右半平面，状态机由状态和驱动；和代表电路处在OFF-state结构，和代表电路处在ON-state结构，符号“+”代表右半平面；根据步骤1-1和步骤1-2所得的关于iL和Vo的微分方程，在相平面内结合几何学分析得到状态之间互相跳转的切换条件，即得到不同电路结构下的切换函数。3.根据权利要求2所述的基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，其特征在于，所述S1-1包括：步骤1-1，已知Boost变换器OFF-state结构下的输入输出微分方程组为为了简化分析，设定为空载，即R→∞，可得如下等式这里，引入一个推导过程的中间量，电感和电容储存的能量E，其表达式如下E＝L*iL2/2+C*Vo2/2(3)对E求导得到的表达式如下：对求导得到的表达式如下：式(4)与式(5)相乘得令等式(6)两边同时对时间t积分得：将式(4)代入式(7)中得：为未知的常数，其值与电路的状态有关；为了几何表示的方便，令将式(9)代入式(8)中得：可以看到式(10)为圆的表达式，至此已经建立了在iL*和Vo这两个控制变量的坐标系下电路OFF-state结构的轨迹方程，其中，L为电感、C为电容、R为电阻、Vg为输入电压，iL*为乘上一定比例的电感电流。4.根据权利要求2所述的基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，其特征在于，所述步骤1-2包括：步骤1-2，已知Boost变换器ON-state结构下的输入输出微分方程组为对式(11)两边同时对时间t积分得，iL0为电流初始值：iL＝(Vg/L)*t+iL0(12)经式(11)推导可得输出电压Vo的表达式，Vo0为电压初始值：式(12)和式(13)同时消去时间t可得iL与Vo的关系式:ln(Vo/Vo0)＝-L*(iL-iL0)/R*C*Vg(14)在ON-state结构下，输出电压下降的值很小，Vo/Vo0的值约等于1，可做近似处理ln(Vo/Vo0)≈Vo/Vo0-1(15)将式(15)带入(14)中可得：。5.根据权利要求2所述的基于状态机控制器的BoostDC-DC变换器的负载预估方法，其特征在于，所述步骤1-3包括：步骤1-3，Boost变换器的输入输出微分方程组为其中，u为控制量，当u＝1时，电路处于ON-state结构，当u＝0时，电路处于OFF-state结构；状态机的四个有效状态有相对应的控制量，和对应的控制量u＝0，和对应的控制量u＝1；当系统上电后，系统初始化，由初始状态启动，当输出电压Vo＜Vref时，状态机进入左半平面工作，由状态驱动，当状态机处于时若输出电压Vo＞Vref，则状态机进入右半平面工作，由状态驱动；当处于状态时，若输出电压Vo＞Vref则状态机重新进入左半平面工作；当电路结构处于OFF-state时，电路在相平面中的运动轨迹方程为由上式可见OFF-state结构下电路在相平面内的运动轨迹是以(0,Vg)为圆心的圆轨迹；当电路结构处于ON-state时，电路的运动轨迹方程为ON-state结构下的运动轨迹为直线，直线斜率与初始点有关；状态跳转至的切换条件分析：状态下电路处于ON-state结构，运动轨迹为直线；此状态下电感充能，电感电...

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