一种Boost变换器的相平面割线轨迹控制方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种Boost变换器的相平面割线轨迹控制方法，属于电力电子技术领域。该方法将Boost变换器的工作状态分为两种情况进行不同控制：在瞬态期间，采用TCOS方法进行控制，即使用状态平面轨迹来确定开关管开通和关断状态，较好的反映了恢复时间和电压偏差之间的平衡；在稳态过程，采用改进的自抗扰控制(ADRC)控制方法来实时补偿不确定性和扰动，提高系统对内部参数扰动和外部扰动的鲁棒性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种Boost变换器的相平面割线轨迹控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种Boost变换器的相平面割线轨迹控制方法。

技术介绍

[0002]近些年来，由于科技的发展，针对电力变换的研究达到了空前的繁荣。其中DC
‑
DC变换器由于其高效率，高功率密度，低EMI等特点在工业生产得到了极大的应用，例如：移动设备中的燃料电池，光伏(PV)系统，混合动力汽车(HEV)中的锂离子电池，以及智能电器等领域。其中特别是燃料电池混合动力汽车系统需要Boost型的DCDC变换器，因为它们的大燃料电池的输出电压应该被调节，以便为后级级联设备提供稳定的直流电压。而控制这类升压型的DCDC变换器远比降压型困难，一方面是因为升压型变换器的输出电压高于输入电源电压；另一方面，Boost变换器的状态变量相互关联(包括它们的输入干扰和参数不确定性)导致建模和线性化困难；此外，升压型boost变换器也表现出非最小相位特性，这种非最小相位在系统中表现出相位滞后现象，如果boost变换器的负载电阻和电压增益等参数的变化会进一步加剧系统的不稳定和无法实现宽范围的闭环带宽。所以说，控制升压型的DCDC变换器比降压型困难。
[0003]为了获得Boost变换器稳定的输出电压，目前已经提出了许多控制算法来调节。
[0004]针对Boost变换器是一类非线性时变系统，通过围绕状态空间平均模型的精确工作点线性化得到小信号模型，在此基础上引入经典控制理论来进行控制器的设计。线性控制器的设计简单方便，并且易于实现，但是无法处理系统参数变化以及大信号的瞬变；
[0005]而多回路电流模式控制则是将输入电感电流用于具有高交叉频率的内部电流环路调节，输出电压则是由较慢的外部电压环路调节。这种控制器的设计考虑了不同的环路增益和特定目标操作点来评估系统性能，极大地改善了系统的动态响应，但是设计双回路控制器具有较大的挑战性，特别是对于高阶变换器的拓扑。
[0006]以上不论是基于小信号模型，还是多回路方式进行控制器的设计都是基于线性系统理论，只能在某一特定工作点处具有出色的性能，一旦系统偏离平衡点，所设计的控制器干扰抑制能力下降。所以线性控制理论不能有效应对Boost变换器输入电源电压以及系统参数的变化。为了能够应对DCDC变换器固有的非线性，宽输入电压和负载变化，并且确保在任何工作条件下的稳定性以及同时提供快速瞬态响应，很多文献引入了先进控制理论来克服线性系统进行控制器设计带来的不足。
[0007]DCDC变换器中开关管的存在构成了系统的变结构特性，因此滑模控制(SMC)技术适用于Boost变换器。SMC在输入电压和输出负载出现扰动时表现出稳定的输出电压调节，相比于传统的PI控制，它具有更快的动态响应以及更小的过冲和下冲。然而，由于滑模面交叉，SMC的调节输出电压具有高频纹波。此外，它在开关面引起的高频抖震难以消除，容易激发系统的未建模动态。
[0008]而无传感器控制则可以提供系统可靠性并且降低系统的成本。在DCDC升压变换器
中提出了许多估计技术，例如：通过静态近似和扩展卡尔曼滤波来估计电感电流的无传感器显示模型预测控制；或者在每个开关周期中都有一个离散低通滤波器，在时域中对电感电流进行估计。然而，估计误差仍然影响变换器输出电压的调节精度。

技术实现思路

[0009]为了综合考虑电压偏差和恢复时间，本文提出了一种基于升压变换器输出电压下冲和响应时间之间的割线轨迹控制。与传统的基于自然轨迹作为开关面的边界控制不同的是，我们在轻载到重载跃变的动态过程中选取了多个暂态工作点，下一个暂态工作点的开通轨迹是上一个暂态工作点关断轨迹的割线，通过相平面割线轨迹控制(Trajectory control of Secant in phase plane)来实现电压偏差和恢复时间的均衡。而由于不确定性和干扰在在现代工业体系中无处不在，使得传统的闭环控制不能得到令人满意的效果，因此，为了实时补偿不确定性和扰动，我们在稳态过程引入了自抗扰控制(ADRC)来提高系统对内部参数扰动和外部扰动的鲁棒性。
[0010]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种Boost变换器的相平面割线轨迹控制，包括以下步骤：
[0012]步骤1.判断Boost变换器的电路处于稳态还是瞬态，如果是瞬态，进入步骤2；否则进入步骤3；
[0013]步骤2.当负载从轻载到重载跃变时，在动态过程中选择暂态工作点来综合考虑输出电压下冲和恢复时间这两个指标，基于MOSFET开关管开通和关断的自然轨迹到达目标工作点，因此，理论上只要两个开关动作就可使系统达到稳态。
[0014]步骤3.当电路为稳态时，使用改进的自抗扰控制控制器进行控制，其中，自抗扰控制控制器具体为，
[0015]上式中，k1和k2为控制器增益，y
ref
为期望的输出电压，分别为扩张观测器观测到的输出电压和输出电压倒数，b0为控制输入的系数，为估计的扰动。
[0016]进一步地，所述Boost变换器的拓扑结构包括：电感(L)、电容(C)、开关管(S1)和二极管(D1)；其中，开关管(S1)的漏极与电感的一端连接，开关管(S1)的源极与输入电源负极相连；二极管(D1)的阳极与电感的一端和开关管(S1)的漏极相连，二极管(D1)的阴极与输出电容(C)的一端连接，输出电容(C)的另一端与电源负极相连。
[0017]进一步地，所述Boost变换器的输出电压不能为负，因为电路拓扑结构中二极管的存在。
[0018]进一步地，所述Boost变换器在稳态期间的工作模式为连续导通模式(CCM)。
[0019]进一步地，本专利技术控制方法适用于负载扰动较小情况，即扰动使得变换器的输出电压不为0。
[0020]进一步地，控制器增益k1＝w
c2
,k2＝2w
c
，w
c
为带宽参数化的控制器增益。
[0021]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0022]1.本专利技术所提出基于自然轨迹进行的暂态控制方法在负载扰动时，切换到拟提议的控制方法，使用状态平面分析来估计开关管开通和关断时间，让状态变量在兼顾降低组件应力的基础上在最短时间内达到目标工作点。
附图说明
[0023]图1为Boost变换器的简化电路原理图；
[0024]其中，(a)为拓扑结构图；(b)为开关管开通等效电路图；(c)为开关管关断等效电路图。
[0025]图2为Boost变换器中开关管MOSFET开通和关断的归一化轨迹图。
[0026]图3为本专利技术控制方法的结构框图。
[0027]图4为负载从轻载到重载时本专利技术简化最优时间动态控制图；
[0028]其中，(a)为输出电压和电感电流的相轨迹图，(b)为输出电压波形，(c)为电感电流波形。
[0029]图5为本专利技术改进后的ADRC控制器结构框本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Boost变换器的相平面割线轨迹控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.判断Boost变换器的电路处于稳态还是瞬态，如果是瞬态，进入步骤2；否则进入步骤3；步骤2.当负载从轻载到重载跃变时，在动态过程中选择暂态工作点来综合考虑输出电压下冲和恢复时间这两个指标，基于MOSFET开关管开通和关断的自然轨迹到达目标工作点，因此，理论上只要两个开关动作就可使系统达到稳态。步骤3.当电路为稳态时，使用改进的自抗扰控制控制器进行控制，其中，自抗扰控制控制器具体为，上式中，k1和k2为控制器增益，y
ref
为期望的输出电压，分别为扩张观测器观测到的输出电压和输出电压倒数，b0为控制输入的系数，为估计的扰动。2.如权利要求1所述的数字化最优时间动态控制方法，其特征在于，所述Boost变换器的拓扑结构包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈章勇，刘海峰，陈勇，肖方波，李猛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：