本发明专利技术公开了一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法，该控制方法结合了PI控制的稳态性能优势与滑模控制的动态性能优势，通过在电感电流上升沿或下降沿中点处采样，对DCM模式和CCM模式平均电感电流值进行统一的公式计算，比较平均电感电流值与临界模式电感电流平均值的大小来判断Buck变换器工作模式，在发生DCM/CCM模式切换时，Buck变换器双闭环控制电压外环由PI控制立即切换为滑模控制，并在滑模控制下检测到输出电压恢复稳态后，立即切换回PI控制，并采用一种输出量预补偿的切换结构实现两种控制方法的平稳切换。
【技术实现步骤摘要】
一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法
本专利技术涉及一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法，属于开关电源领域。
技术介绍
Buck变换器是一种可以实现直流降压功能的电力电子设备，有着结构简单，功率密度高等优点，目前在航空航天、直流电机驱动、电动汽车充电和可再生能源等工业领域得到了广泛应用。传统的PI双闭环控制下，Buck变换器在受到电感电流连续模式和电感电流断续模式切换的负载扰动时，动态性能较差，会严重影响负载的工作品质，甚至有可能导致负载无法正常工作。因此提高输出抗扰动性能成为现今亟待解决的问题。针对传统PI控制下，Buck变换器抗负载扰动性能较差的问题，国内外进行了许多探讨，其中滑模控制以其形式简单、动态性能优良和对系统不确定扰动具有强鲁棒性的优点，在Buck变换器高性能控制领域取得了诸多成果。“控制受限滑模控制Buck变换器设计”(见《中国电机工程学报》，2010)基于输出电压误差及其一阶导数设计了传统单环线性滑模控制器，电压鲁棒性较传统PI控制得到了一定改善，但其引入了电压微分且采用滞环变频控制，对系统噪声较敏感，且其输出电压动态响应相比双闭环控制差得多。“Buck变换器的鲁棒离散积分滑模控制”(见《电工技术学报》，2019)提出一种鲁棒离散积分滑模(DISM)电压控制策略，在保留传统双闭环控制电流内环的基础上，重建含集中扰动的离散电压模型，设计全局鲁棒性DISM电压控制器，提高了输出电压的动态品质和抗扰性，但由于滑模控制存在高频抖振会严重影响输出电压的稳态性能。
技术实现思路
本专利技术针对传统PI双闭环控制下，Buck变换器在受到电感电流连续模式和电感电流断续模式切换的负载扰动时，动态特性较差的问题，而提出的一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法。为实现上述方法，本专利技术采用如图1所示的控制系统来实现，该系统包括Buck变换器、信号采样模块、平均电感电流校正模块、模式监测模块、控制算法模块五个部分。Buck变换器的电源电压信号ui、输出电压信号uo、电感电流信号iL给到信号采样模块，通过在电感电流上升沿或者下降沿中点处采样，获得电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn，其中采样周期为T，采样时刻为nT。信号采样模块输出的电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn与控制算法模块输出的占空比D作为平均电感电流校正模块的输入，并通过计算输出平均电感电流信号ILn。信号采样模块输出的电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon与平均电感电流校正模块输出的平均电感电流信号ILn给到模式监测模块，用于判断Buck变换器的运行模式，所述Buck变换器运行模式包括电感电流断续模式(DCM)和电感电流连续模式(CCM)，模式监测模块根据不同的运行模式输出不同的模式a，并作为控制算法模块的输入，用于控制方法切换。输出电压参考值uref、平均电感电流信号ILn、模式a与输出电压采样信号uon作为控制算法模块的输入，并输出占空比D与PWM，其中占空比D作为平均电感电流校正模块的输入，用于平均电感电流信号ILn的计算；PWM作为Buck变换器的输入，用于控制功率开关管S的通断。控制算法模块包括外环混合控制模块、内环PI控制模块、PWM产生模块三个部分；其中，输出电压参考值uref、输出电压采样信号uon与模式a作为外环混合控制模块的输入，并通过切换条件选择滑模控制(SMC)或者PI控制，并输出电感电流参考值iLref；电感电流参考值iLref与平均电感电流信号ILn给到内环PI控制模块，经过PI调节输出调制波信号；调制波信号给到PWM产生模块，经过PWM产生模块输出占空比D与PWM，其中占空比D作为平均电感电流校正模块的输入，用于平均电感电流信号ILn的计算；PWM作为Buck变换器的输入，用于控制功率开关管S的通断。平均电感电流校正模块通过电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn与控制算法模块输出的占空比D计算平均电感电流信号ILn公式为：模式监测模块通过平均电感电流信号ILn与临界模式电感电流平均值比较进行模式判断，其判断条件为：当判断Buck变换器运行在DCM模式时，模式监测模块输出信号模式a＝0；当判断Buck变换器运行在CCM模式时，模式监测模块输出信号模式a＝1。外环混合控制模块控制方法切换条件为：当模式a从1变为0，或者从0变为1，即Buck变换器从CCM模式切换至DCM模式，或者从DCM模式切换至CCM模式时，外环混合控制模块从PI控制立即切换至SMC控制，接着在SMC控制下运行，当判断输出电压采样信号uon恢复稳态时，外环混合控制模块从SMC控制立即切换为PI控制。外环混合控制模块采用一种输出量预补偿的切换结构，通过该结构可以实现PI控制和SMC控制的平稳切换；假设外环混合控制模块在PI控制下输出电感电流参考值iLref，此时将PI控制输出量作为参考值，将SMC控制的输出量作为反馈值，将二者的误差量作为SMC控制的输入，使得SMC控制输出量与PI控制输出量时刻保持一致，预补偿SMC控制输出量，从而在PI控制切换为SMC控制时实现两种控制方法的平稳切换；假设外环混合控制模块在SMC控制下输出电感电流参考值iLref，此时将SMC控制输出量作为参考值，将PI控制的输出量作为反馈值，将二者的误差量作为PI控制的输入，使得PI控制输出量与SMC控制输出量时刻保持一致，预补偿PI控制输出量，从而在SMC控制切换为PI控制时实现两种控制方法的平稳切换。本专利技术与现有Buck变换器控制方法相比，其优点在于：该控制方法结合了PI控制的稳态性能优势与滑模控制的动态性能优势，且可以实现控制方法之间的平稳切换；通过在电感电流上升沿或者下降沿中点处采样，对DCM模式和CCM模式平均电感电流值进行统一的公式校正，解决了DCM模式平均电感电流值难采样的问题。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：附图说明图1为本专利技术所述Buck变换器线性与非线性混合控制方法系统结构图。具体实施方式本专利技术提供一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法，结合附图对该方法作进一步详细叙述。为实现所述控制方法，本专利技术采用如图1所示的系统来实现，该系统主要包括Buck变换器、信号采样模块、平均电感电流校正模块、模式监测模块、控制算法模块五个部分。Buck变换器的电源电压信号ui、输出电压信号uo、电感电流信号iL给到信号采样模块，通过在电感电流上升沿或者下降沿中点处采样，获得电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn，其采样周期为T，采样时刻为nT。采样得到的电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn与控制算法模块输出的占空比D给到平均电感电流校正模块，通过这些信号计算出平均电感电流信号ILn。将电源电压采样信号u本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法，其特征在于：所述方法的控制系统包含：Buck变换器(1)、信号采样模块(2)、平均电感电流校正模块(3)、模式监测模块(4)、控制算法模块(5)；/nBuck变换器(1)的电源电压信号u
【技术特征摘要】
1.一种Buck变换器线性与非线性混合控制方法，其特征在于：所述方法的控制系统包含：Buck变换器(1)、信号采样模块(2)、平均电感电流校正模块(3)、模式监测模块(4)、控制算法模块(5)；
Buck变换器(1)的电源电压信号ui、输出电压信号uo、电感电流信号iL给到信号采样模块(2)，并通过采样输出电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn；
信号采样模块(2)输出的电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon、电感电流采样信号iLn与控制算法模块(5)输出的占空比D作为平均电感电流校正模块(3)的输入，并通过计算输出平均电感电流信号ILn；
信号采样模块(2)输出的电源电压采样信号uin、输出电压采样信号uon与平均电感电流校正模块(3)输出的平均电感电流信号ILn作为模式监测模块(4)的输入，用于判断Buck变换器(1)的运行模式；所述Buck变换器(1)的运行模式包括电感电流断续模式(DCM)和电感电流连续模式(CCM)；
所述模式监测模块(4)的输出信号为模式a，作为控制算法模块(5)的输入，用于控制方法切换；
输出电压参考值uref、信号采样模块(2)输出的输出电压采样信号uon、平均电感电流校正模块(3)输出的平均电感电流信号ILn与模式监测模块(4)输出的模式a作为控制算法模块(5)的输入；
所述控制算法模块(5)的输出信号包括占空比D与PWM，其中占空比D作为平均电感电流校正模块(3)的输入；PWM作为Buck变换器(1)的输入，用于控制功率开关管S的通断；
所述控制算法模块(5)包含：外环混合控制模块(5-1)、内环PI控制模块(5-2)、PWM产生模块(5-3)；输出电压参考值uref、输出电压采样信号uon与模式a作为外环混合控制模块(5-1)的输入，根据切换条件选择滑模控制(SMC)或者PI控制，并输出电感电流参考值iLref；电感电流参考值iLref与平均电感电流信号ILn作为内环PI控制模块(5-2)的输入，经过PI调节输出调...
【专利技术属性】
技术研发人员：许家群，崔楠，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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