一种双相交错并联DC-DC变换器的自适应MPC控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双相交错并联DC

【技术实现步骤摘要】
一种双相交错并联DC
‑
DC变换器的自适应MPC控制方法
[0001]本专利技术涉及车载充电器领域，具体利用新型MPC的控制方法来提高功率变 换器的动态性能和稳态性能，提升系统的鲁棒性，并使用自适应滑模观测器对未 知的负载电阻和输入电压进行估测来减少成本，更加接近实际的应用。

技术介绍

[0002]在纯电动汽车DC
‑
DC变换器领域中，纯电动汽车需要用充电桩对汽车能源 进行充电，往往充电桩的输出电压比较低并且人们越来越对快充产生渴望，这就 需求Boost电路进行处理，Boost功率变换器是经常使用的一种DC
‑
DC的开关电 源，通过一些控制能够将不稳定的输入电压进行转成比输入电压更高，更稳的输 出电压，而且其拓扑结构简单、元器件少及较好的工作可靠性，在航天、能源、 电动汽车和医疗等行业都有比较广泛的应用。其中，交错并联的Boost，它相比 于单相Boost来说体积小，电流纹波以及输出电压纹波都较小。因此，越来越多 的纯电动汽车青睐于交错并联Boost电路。由于Boost电路具有非线性以及非最 小相位特性，一种标准的方法是使用基于线性PWM的PI控制策略这可能会恶 化线性控制器的性能，不可能通过将输出电压误差作为输出的控制方法来直接控 制输出电压，例如输入输出反馈线性化、反步法等，也就是说，当选择输出电压 作为输出时，零动态是不稳定的，输出电压调节应当转化为电流跟踪，便于实现， 称为间接控制。自适应升压控制多为间接控制。本专利技术提出了一种新的模型预测 控制方法。采用现有的MPC，可以方便地实现对输出电压的跟踪。在负载电阻、 电感值、输入电压等各种干扰下需要无偏置跟踪并且系统的状态不一定是完全可 测量或难以物理测量的需要大量的成本，本专利技术添加了自适应规则观测器的方法。 该方案的优点在于，它只需要一步预测范围来控制变换器，并且暂态响应良好， 各个状态向量以及输入电压与负载电阻精确的跟踪实际值。
[0003]MPC是一种有限层位优化方法，有限控制集MPC(FCS MPC)非常适合于直 流电源电子器件。升压变换器是典型的直流电源系统，缺点是求解优化问题的计 算复杂性。因此，一种方法只需要一步预测时域，具有开关频率恒定的优点。预 测控制策略的优点是它们不依赖于平均模型，并且在最优控制问题的公式中可以 将诸如过流等变换器限制作为系统约束来考虑。

技术实现思路

[0004]本专利技术是一种基于自适应滑模观测器的两相交错并联Boost变换器MPC控 制方法。通过自适应观测器对电路各个状态进行观测，电路中电感电流，输出电 压，输入电压，以及负载观测值都能够精确跟踪实际值将观测到的值带入MPC 控制器中，控制器产生占空比，输出电压能够稳定快速的达到参考值。具体步骤 如下：
[0005]步骤1，根据双相交错并联boost变换器控制系统工作原理建立状态空间表 达式；
[0006]步骤2，基于上一步数学模型建立滑模观测器，并设计输入电压以及负载电 阻作为观测器的自适应参数；
[0007]步骤3，分析MPC控制器需要满足的条件，建立交错并联boost变换器的离 散模型，
对未来时刻的输出电压以及电感电流变化趋势进行预测；
[0008]步骤4，结合观测得到的输入电压以及负载，算出各相电感电流的参考值， 并通过与采样值结合起来，构建出系统的目标优化函数；
[0009]步骤5，最小化步骤五中构建的目标优化函数，求解基于交错并联boost变 换器的控制输入，作为下一刻的占空比输入值。
[0010]进一步，所述步骤1中，系统状态空间表达式具体表示如下：
[0011][0012]其中，x1、x2分别代表i
L1
、i
L2
；Z＝V
c
‑
V
ref
，L1、L2代表着电路中各相等效 电感值，C代表着电路中等效电容值，V
ref
代表输出电压参考值，θ代表负载阻 值的倒数。
[0013]进一步，充分考虑了电容电压误差Z信息，进而引入了新的状态变量电感 电流。
[0014]进一步，所述步骤2中，基于系统状态空间表达式(1)，滑模观测器设计如 下：
[0015][0016]其中，与分别是x1、x2与Z的估计值；是输入电压的估计值；是θ 的估计值；h1、h2、h3＞0是观测器增益。
[0017]进一步，观测器上设计的自适应参数与由以下自适应律给出：
[0018][0019][0020]其中，α1、α2＞0是自适应增益。
[0021]进一步，在所述步骤3中，基于系统状态空间表达式(1)，建立双相交错并 联Boost变换器系统的离散模型表示为：
[0022][0023][0024]其中，T
s
代表采样周期，V
in
(k)代表着采样第k时刻的输入电压值，θ(k)代表着 采样第k时刻的负载电阻的倒数，i
L1
(k)、i
L2
(k)代表着各相采样第k时刻的电 感电流采样值，Z(k)代表着采样第k时刻的输出电压采样值与输入参考值的差 值，u1(k)、u2(k)∈(0，1)代表着各相采样第k时刻的控制输入。
[0025]将表达式(3)和(4)简化成统一离散模型表达式可得：
[0026]X
i＝1，2
(k+1)＝AX
i
(k)+BX
i
(k)u
i
(k)+Cu
i
(k)+D
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0027]其中
[0028][0029]进一步，在所述步骤4中，电感电流的参考值表达式如下：
[0030][0031]基于系统的离散数学模型(5)，构建系统优化目标成本函数表示如下：
[0032][0033]其中，是状态变量的参考值，为控制器 的差值，为控制器的理想值，向量P
c
是电感电流误差与输出电 容误差的权重，γ是控制器u
i
的权重。
[0034]进一步，根据当k
→
∞时J
u
(X
i
(k+1)，u
i*
)
‑
J
u
(X
i
(k)，u
i
)≤0，可得P
c
需 满足P
c
‑
(A+Bu
i*
)
T
P
c
(A+Bu
i*
)≥0，其目的在于通过控制器平均值u
i
使得 成本函数的值趋于最小。
[0035]进一步，在所述步骤5中，基于系统的优化目标成本函数(6)，通过选择最 小化关联成本函数的方法来选择最优开关状态u
i
，可得如下：
[0036][0037]c1(X
i
(k+1))本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双相交错并联DC
‑
DC变换器的自适应MPC控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据双相交错并联boost变换器控制系统工作原理建立状态空间表达式；步骤2，基于上一步数学模型建立滑模观测器，并设计输入电压以及负载电阻作为观测器的自适应参数；步骤3，分析MPC控制器需要满足的条件，建立交错并联boost变换器的离散模型，对未来时刻的输出电压以及电感电流变化趋势进行预测；步骤4，结合观测得到的输入电压以及负载，算出各相电感电流的参考值，并通过与采样值结合起来，构建出系统的目标优化函数；步骤5，最小化步骤五中构建的目标优化函数，求解基于交错并联boost变换器的控制输入，作为下一刻的占空比输入值。2.根据权利要求1所述的一种双相交错并联DC
‑
DC变换器的自适应MPC控制方法，其特征在于，所述步骤1中，系统状态空间表达式具体表示如下：其中，x1、x2分别代表i
L1
、i
L2
；Z＝V
c
‑
V
ref
，L1、L2代表着电路中各相等效电感值，C代表着电路中等效电容值，V
ref
代表输出电压参考值，θ代表负载阻值的倒数。3.根据权利要求2所述的系统状态空间表达式(1)，其特征在于，充分考虑了电容电压误差Z信息，进而引入了新的状态变量电感电流。4.根据权利要求1所述的一种双相交错并联DC
‑
DC变换器的自适应MPC控制方法，其特征在于，所述步骤2中，基于系统状态空间表达式(1)，滑模观测器设计如下：其中，与分别是x1、x2与Z的估计值；是输入电压的估计值；是θ的估计值；h1、h2、h3＞0是观测器增益。5.根据权利要求4所述的滑模观测器(2)，其特征在于，观测器上设计的自适应参数与由以下自适应律给出：
其中，α1、α2＞0是自适应增益。6.根据权利要求1所述的一种双相交错并联DC
‑
DC变换器的自适应MPC控制方法，其特征在于，所述步骤3中，基于系统状态空间表达式(1)，建立双相交错并联Boost变换器系统的离散模型表示为：的离散模型表示为：其中，T
s
代表采样周期，V
in
(k)代表着采样第k时刻的输入电压值，θ(k)代表着采样第k时刻的负载电阻的倒数，i
L1
(k)、i
L2
(k)代表着各相采样第k时刻的电感电流采样值，Z(k)代表着采样第k时刻的输出电压采样值与输入参考值的差值，u1(k)、u2(k)∈...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁世宏，詹志文，刘陆，马莉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：