一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法。采用基于一阶低通滤波器的干扰滤波抑制技术，将其嵌入到约束变速吸引律中，构造具有干扰抑制能力的理想误差动态；依据理想误差动态设计离散控制器，将计算得到的信号作为Buck型变换器的控制输入。具体的控制器参数整定工作可依据系统跟踪误差吸引过程的指标进行，且给出了表征跟踪误差吸引过程的单调减区域、绝对吸引层和稳态误差带边界的具体表达式。本发明专利技术具有收敛速度约束和有效抑制系统抖振、噪声以及非线性等各种干扰的控制效果，兼有提高Buck型变换器的跟踪精度、电感电流约束硬件保护以及有效降低输出电压纹波。硬件保护以及有效降低输出电压纹波。硬件保护以及有效降低输出电压纹波。

A voltage tracking control method for Buck Converter

【技术实现步骤摘要】
一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法，该方法适于降压型直流电源，也适用于工业控制中的DC
‑
DC电源。

技术介绍

[0002]Buck型变换器是一种实现直流电路电压转换的电力电子设备。由于Buck型变换器具有系统结构简单轻便，降压稳定、安全可靠等优点，目前在电动汽车充电、LED驱动以及航天航空等工业领域得到广泛应用。
[0003]传统Buck型变换器电压控制常用的是线性比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制方法，但由于Buck变换器存在负载突变、输入电压突变以及模型参数摄动等各种干扰，无法实现高性能控制。滑模控制是一种非线性控制方法，具有控制实现简单、输出响应快以及鲁棒性好等优点。然而滑模控制本身存在固有的抖振问题，将其作用于Buck变换器中会使得输出电压的纹波变大。因此，如何减小系统抖振是滑模控制的一个研究重点。
[0004]滑模控制趋近律方法由于采用趋近律，闭环系统的动态响应过程分为趋近过程与滑动模态，其稳定性与收敛性由具体的趋近律和滑模函数所决定。吸引律方法直接采用跟踪误差信号，不需要定义滑模函数，控制器设计变得更为直接和简洁。闭环系统的动态响应过程仅由吸引律所决定。在存在干扰的情形下，将干扰抑制措施“嵌入”到吸引律中，构造具有干扰抑制作用的理想误差动态。依据理想误差动态设计离散时间控制器，使得闭环系统具有理想误差动态所刻画的误差动态特性，从而提高控制系统抗干扰能力和跟踪性能。以吸引律方法设计离散控制器时，可由吸引律给出跟踪误差的瞬态和稳态行为的三个指标：绝对吸引层、单调减区域和稳态误差带。实际上，三个指标的具体取值依赖于控制器参数。给定吸引律的具体形式，可预先给出三个指标的具体表达式，可用于控制器参数整定。
[0005]Buck变换器存在各种干扰(负载突变、输入电压突变等)，需要对各个干扰信号进行有效补偿抑制处理。目前常用的干扰补偿抑制方法是一种“一步延迟干扰估计”技术。该技术能对常值/慢时变扰动起到有效补偿抑制作用。但此处理方法会存在量测噪声放大问题，会降低Buck型变换器的控制精度以及稳定性能。此外，Buck型变换器的电感电流如果过大，会带来不可忽视的硬件烧毁的风险。系统控制器设计时因考虑过流保护，这也是一个设计难点。因此，如何有效提高Buck型变换器的干扰抑制能力、约束电感电流以及降低输出电压纹波(减小稳态误差)是控制器设计需要关注的焦点问题，也是亟待解决的难题。

技术实现思路

[0006]为了克服已有控制方法存在输出电压纹波大和量测噪声放大等问题，本专利技术提供了一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法。采用干扰滤波抑制技术，将其嵌入到吸引律中，以便构建具有干扰抑制能力的理想误差动态，可有效抑制噪声和模型非线性等各种干扰信号。采用干扰滤波抑制策略的Buck型变换器数字控制技术能够实现精确的参考信号跟踪任务，同时确保电感电流约束在一个给定的约束值内，并具有抗干扰能力和有效降低输出电
压的纹波。
[0007]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0008]一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：建立Buck型变换器的数学模型
[0010]所述Buck型变换器控制系统的数学模型为
[0011][0012]其中，V
k+1
,V
k
,V
k
‑1为Buck型变换器k+1，k，k
‑
1时刻的输出电压信号，u
k
表示Buck型变换器k时刻的控制输入信号，T
s
为开关周期，R，L，C分别为Buck型变换器的电阻、电感和电容；V
in
为输入电压信号；w
k+1
为k+1时刻的系统总干扰信号；
[0013]步骤2：构造约束变速吸引律
[0014]构造下述约束变速吸引律
[0015][0016]其中，e
k
＝r
k
‑
V
k
为k时刻的系统跟踪误差，r
k
为k时刻的给定参考信号，V
k
为k时刻的系统实际输出电压信号；δ＞0为跟踪误差的收敛速度约束参数，且跟踪误差的收敛速度为
[0017][0018]在约束变速吸引律(2)中，跟踪误差e
k
的动态行为如下：1)当|e
k
|＞δ时，跟踪误差将以速度无抖振、无正负交替的收敛于|e
k
|≤δ的邻域内；2)当|e
k
|≤δ时，跟踪误差将严格绝对收敛，正负交替的收敛于原点；
[0019]步骤3：干扰滤波补偿策略
[0020]将干扰滤波补偿措施嵌入到吸引律(2)中，构造如下具有干扰滤波补偿作用的理想误差动态：
[0021][0022]其中，干扰滤波补偿项为
[0023][0024][0025]其中，w
k
，w
k
‑1为k，k
‑
1时刻的系统干扰信号，为k+1，k时刻的干扰滤波补偿项，τ为一阶低通滤波器的时间常数，T为控制周期，V
k
,V
k
‑1,V
k
‑2为Buck型变换器k，k
‑
1，k
‑
2时刻的输出电压信号，u
k
‑1表示Buck型变换器k
‑
1时刻的控制输入信号；干扰滤波补偿误差满足其Δ为干扰补偿误差的上确界，则跟踪误差的收敛速度为
[0026][0027]步骤4：控制器设计
[0028]将式(1)代入式(4)，可得Buck型变换器的离散控制器的表达式为
[0029][0030]将u
k
作为Buck型变换器的控制输入信号，可量测获得Buck型变换器的电压输出信号V
k
，跟随参考信号r
k
变化，系统跟踪误差的动态行为由式(4)表征，且电感电流i
L
约束在限定范围内。
[0031]进一步，为表征吸引律的吸引过程，本专利技术给出单调减区域边界、绝对吸引层边界以及稳态误差带边界这3个指标的表达式；这3个指标可用于指导控制器参数整定，其中单调减区域边界、绝对吸引层边界、稳态误差带边界的定义如下：
[0032]1)单调减区域边界Δ
MDR
[0033][0034]2)绝对吸引层边界Δ
AAL
[0035]|e
k+1
|＜|e
k
|，当|e
k
|＞Δ
AAL
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0036]3)稳态误差带边界Δ
SSE
[0037]|e
k+1
|≤Δ
SSE
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Buck型变换器的电压跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立Buck型变换器控制系统的数学模型其中，V
k+1
,V
k
,V
k
‑1为Buck型变换器k+1，k，k
‑
1时刻的输出电压，u
k
表示Buck型变换器k时刻的控制输入信号，T
s
为开关周期，R，L，C分别为Buck型变换器的电阻、电感和电容；V
in
为输入电压；w
k+1
为k+1时刻的系统总干扰信号；步骤(2)：构造约束变速吸引律其中，e
k
＝r
k
‑
V
k
为k时刻的系统跟踪误差，r
k
为k时刻的给定参考信号，V
k
为k时刻的系统实际输出电压信号；δ＞0为跟踪误差的收敛速度约束参数，且跟踪误差的收敛速度为在约束变速吸引律(2)中，跟踪误差e
k
的动态行为如下：1)当|e
k
|＞δ时，跟踪误差将以速度无抖振、无正负交替的收敛于|e
k
|≤δ的邻域内；2)当|e
k
|≤δ时，跟踪误差将严格绝对收敛，正负交替的收敛于原点；步骤(3)：干扰滤波补偿策略将干扰滤波补偿措施嵌入到吸引律(2)中，构造如下具有干扰滤波补偿作用的理想误差动态：其中，干扰滤波补偿项为为其中，w
k
，w
k
‑1为...

【专利技术属性】
技术研发人员：邬玲伟，雷必成，梅盼，林志明，朱莺莺，
申请(专利权)人：台州学院，
类型：发明
国别省市：