一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法技术

本发明专利技术属于变换器控制领域，具体涉及一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法，包括：基于buck变换器的状态切换离散时间模型以及采集得到的buck变换器当前输入电压、输出电压和电感电流，通过电压预测，计算DPWM占空比，用于控制buck变换器，使得buck变换器输出电压达到参考电压；其中，状态切换离散时间模型是通过以下方式构建得到：将变换器开关瞬态时的状态变量及其导数值作为求解微分方程的约束，求解单个开关周期导通持续过程和关断持续过程中状态变量随时间变化的微分方程，推导出开关周期终点状态变量与初始状态变量之间的关系，作为状态切换离散时间模型。本发明专利技术通过建立状态切换离散时间模型提高buck变换器控制精度。buck变换器控制精度。buck变换器控制精度。

A control method of Buck Converter Based on state switching discrete-time model

【技术实现步骤摘要】
一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法


[0001]本专利技术属于变换器控制领域，更具体地，涉及一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法。

技术介绍

[0002]开关电源变换器广泛用于工业应用。它们可以在连续导通模式(CCM)、断续导通模式(DCM)和临界导通模式(CRM)下工作。由于电感电流滞后，通常很难通过CCM操作优化瞬态响应。为了提高瞬态性能，调研了模拟和数字控制策略。例如，与模拟方法相比，数字控制器具有可编程性、抗噪声能力、尺寸紧凑和控制算法灵活等优点。对于许多数字控制策略，计算和模数转换的固有延迟是限制带宽的一个巨大挑战。为了解决这个问题，采用数字预测和无差拍技术提前计算状态变量，从而更快速的来稳定电源变换器。
[0003]对于预测控制和其它控制策略，变换器模型的精度是影响控制性能的决定性问题。为了方便数字控制器的设计和分析，离散时间模型得到了深入研究，而一种被广泛接受的建模方法是状态平均。尽管状态平均离散时间模型可以通过标准Z变换直接导出，但变换误差会导致精度降低，另外，在没有考虑开关周期内的开关动作和动态的情况下，传统的状态平均建模方法在高频下精度较低。当使用这些模型进行优化时，较低的精度会导致控制器设计和稳定性分析不可靠，特别是在需要非常快的响应速度时。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法，其目的在于通过建立状态切换离散时间模型提高buck变换器控制精度。/>[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法，包括：
[0006]基于buck变换器的状态切换离散时间模型以及采集得到的buck变换器当前输入电压、输出电压和电感电流，通过电压预测，计算DPWM占空比，用于控制buck变换器，使得buck变换器输出电压达到参考电压；
[0007]其中，所述状态切换离散时间模型是通过以下方式构建得到：
[0008]将变换器开关瞬态时的状态变量及其导数值作为求解微分方程的约束，求解单个开关周期导通持续过程和关断持续过程中状态变量随时间变化的微分方程，推导出开关周期终点状态变量与初始状态变量之间的关系，作为状态切换离散时间模型，其中，所述关系与占空比和输入电压有关，且状态变量包括电感电流和输出电压。
[0009]进一步，所述状态切换离散时间模型为：
[0010][0011]式中，x
s
＝[i
L,s
,v
out,s
]T
，表示开关周期的初始状态，i
L,s
和v
out,s
分别表示开关周期
初始的电感电流和输出电压；x
s
＝x
e
z
‑1，x
e
＝[i
L,e
,v
out,e
]T
表示开关周期的终点状态，i
L,e
和v
out,e
分别表示开关周期终点的电感电流和输出电压，上标T表示向量转置，v
in
表示输入电压，d表示DPWM占空比；
[0012][0013]a
11
＝e
αT
[cos(βT)
‑
αsin(βT)/β]；
[0014]a
12
＝
‑
e
αT
sin(βT)/(Lβ)；
[0015]a
21
＝e
αT
sin(βT)/(βC)；
[0016]a
22
＝e
αT
[αsin(βT)/β+cos(βT)]；
[0017]b1＝e
αT
{
‑
cos(βT)/R+αsin(βT)/(Rβ)+sin(βT)/(Lβ)}；
[0018]b2＝e
αT
{αsin(βT)/β
‑
cos(βT)}；
[0019]α为微分方程特征根的实部，β为微分方程特征根的虚部，T表示开关周期长度，R表示负载电阻，C为输出电容。
[0020]进一步，所述计算DPWM占空比的方式为：
[0021]采集输入电压、输出电压和电感电流，并采用下式，计算g2(d)；
[0022][0023]基于计算得到的g2(d)，采用反函数推导占空比。
[0024]进一步，在所述计算占空比之前，所述方法还包括：
[0025]采用积分补偿器IT/(z
‑
1)，调制输出电压和参考电压之间的带宽，其中，I表示积分参数。
[0026]进一步，在采用所述积分补偿器IT/(z
‑
1)之前，所述方法还包括：
[0027]将待输入至所述积分补偿器的v
REF
和v
out,s
限制为：
[0028][0029]式中，v
REF
为参考电压，Δv
out,s_min
为输出电压压摆率Δv
out,s
的最小值，Δv
out,s_max
为输出电压压摆率Δv
out,s
的最大值，其中，Δv
out,s
＝v
out,s
(z
‑
1)＝a
21
i
L,s
+(a
22
‑
1)v
out,s
+b2v
in
+g2(d)v
in
，当DPWM占空比d取值为1时，得到Δv
out,s_max
，当DPWM占空比d取值为0时，得到Δv
out,s_min
。
[0030]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上所述的一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法。
[0031]本专利技术还提供一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制器，包括：处理器、收发机，以及如上所述的计算机可读存储介质，其中，
[0032]所述收发机，用于在所述处理器的控制下收发数据；
[0033]所述处理器执行所述计算机可读存储介质上的计算机程序时实现如上所述的一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法的步骤。
[0034]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0035](1)本专利技术方法利用buck变换器的状态切换离散时间模型(SSDM模型)，SSDM模型在高频下实现了比传统状态平均模型更高的精度。在建模过程中考虑每个开关周期内的动态状态，而不是平均变换器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于状态切换离散时间模型的buck变换器控制方法，其特征在于，包括：基于buck变换器的状态切换离散时间模型以及采集得到的buck变换器当前输入电压、输出电压和电感电流，通过电压预测，计算DPWM占空比，用于控制buck变换器，使得buck变换器输出电压达到参考电压；其中，所述状态切换离散时间模型是通过以下方式构建得到：将变换器开关瞬态时的状态变量及其导数值作为求解微分方程的约束，求解单个开关周期导通持续过程和关断持续过程中状态变量随时间变化的微分方程，推导出开关周期终点状态变量与初始状态变量之间的关系，作为状态切换离散时间模型，其中，所述关系与占空比和输入电压有关，且状态变量包括电感电流和输出电压。2.根据权利要求1所述的buck变换器控制方法，其特征在于，所述状态切换离散时间模型为：式中，x
s
＝[i
L,s
,v
out,s
]
T
，表示开关周期的初始状态，i
L,s
和v
out,s
分别表示开关周期初始的电感电流和输出电压；x
s
＝x
e
z
‑1，x
e
＝[i
L,e
,v
out,e
]
T
表示开关周期的终点状态，i
L,e
和v
out,e
分别表示开关周期终点的电感电流和输出电压，上标T表示向量转置，v
in
表示输入电压，d表示DPWM占空比；a
11
＝e
αT
[cos(βT)
‑
αsin(βT)/β]；a
12
＝
‑
e
αT
sin(βT)/(Lβ)；a
21
＝e
αT
sin(βT)/(βC)；a
22
＝e
αT
[αsin(βT)/β+cos(βT)]；b1＝e
αT
{
‑
cos(βT)/R+αsin(βT)/(Rβ)+sin(βT)/(Lβ)}；b2＝e
αT
{αsin(βT)/β
‑
cos(βT)}；α为微...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵闰，邹谦，童乔凌，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：