开关电源Buck变换器高性能单环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，包括：建立Buck变换器的状态空间平均模型；根据状态空间模型变换得到误差动态系统；根据误差动态系统构造高性能单环控制器；对高性能单环控制器进行参数整定；根据所述高性能单环控制器和PWM调制方法生成驱动信号，实现输出电压控制。本发明专利技术避免了现有非线性控制策略对虚拟变量求导造成系统失稳的问题，减小了计算负担，改善了系统控制性能，提高了输出电压的动态响应速度，输出电压响应速度快、精度高。精度高。精度高。

【技术实现步骤摘要】
开关电源Buck变换器高性能单环控制方法


[0001]本专利技术涉及一种开关电源的控制方法，尤其是一种开关电源Buck变换器的高性能单闭环控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，智能电能表在我国获得了前所未有的发展和应用。运用现代通信技术还可以实现对电网负荷、用户数据和电能表状态的远程实时监测和管理，这对国家“智能电网”战略的实施具有重大意义，与此同时对它们的“心脏”即电源管理芯片的要求也越来越高。传统的线性稳压器由于压差大时所表现出的功耗问题已无法满足高效系统的需求。开关电源由于效率高，并且体积小的优点，正逐步应用于低功率领域并取代线性稳压器的市场地位，其核心部件是Buck变换器。
[0003]Buck变换器运行工况复杂、随机性强，同时其本身也是一类复杂的非线性、多变量、强耦合、参数时变系统。传统的线性PI控制策略法已无法控制需求，易导致输出电压过冲，甚至导致智能电表损坏。尽管非线性控制策略可满足一定的控制需求，但多采用电压
‑
电流双环控制结构，参数多且整定复杂，难以实际应用。因而，对于Buck变换器，研究具有简单结构的高性能控制策略，意义重大。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，其目的是：克服现有技术缺陷，提高Buck变换器的控制性能。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]一种开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，包括如下步骤：
[0007]S1：建立Buck变换器的状态空间平均模型；
[0008]S2：根据状态空间模型变换得到误差动态系统；
[0009]S3：根据误差动态系统构造高性能单环控制器；
[0010]S4：对高性能单环控制器进行参数整定；
[0011]S5：根据所述高性能单环控制器和PWM调制方法生成驱动信号，实现输出电压控制。
[0012]作为本方法的进一步改进，步骤S1所述状态空间平均模型为：
[0013][0014][0015]其中V
in
为输入电压，V
o
为输出电压，i
L
为电感电流，u为可控开关的占空比，L为滤波电感，C为直流侧电容，R为负载电阻。
[0016]作为本方法的进一步改进，步骤S2所述误差动态系统为：
[0017][0018][0019]其中为参考输出电压，e为输出电压跟踪误差，i为虚拟状态变量；
[0020][0021][0022]作为本方法的进一步改进，步骤S3所述高性能单环控制器为
[0023]其中，r,k1,k2为控制参数。
[0024]作为本方法的进一步改进，步骤S4具体包括：
[0025]第一步：令由所述高性能单环控制器得出其中选取参数k1，k2使得A是稳定矩阵。
[0026]第二步：取李亚普诺夫函数为V＝x
T
Px，其中P为正定矩阵，PA+A
T
P≤
‑
I，I是单位矩阵，选取参数使得
[0027]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：通过引入状态变换，直接给出单环控制器结构，避免了现有非线性控制策略对虚拟变量求导造成系统失稳的问题，且减小了计算负担；根据李雅普诺夫稳定性分析理论进行参数整定，Buck变换器误差动态系统以指数速度趋于稳定，改善了系统控制性能，提高了输出电压的动态响应速度，输出电压响应速度快、精度高。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的流程图；
[0029]图2为本专利技术的控制图；
[0030]图3为Buck变换器启动阶段输出电压响应波形。
具体实施方式
[0031]下面结合附图详细说明本专利技术的技术方案：
[0032]如图1，一种开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，包括如下步骤：
[0033]S1：获取Buck变换器元件参数和输入电压V
in
，测量输出电压V
o
和电感电流i
L
，建立Buck变换器的状态空间平均模型：
[0034][0035]其中，L是滤波电感，C是直流侧电容，R是负载电阻，u是可控开关的占空比。
[0036]S2：定义输出电压跟踪误差以及虚拟状态变量根据状态空间模型变换得到误差动态系统：
[0037][0038]其中，为参考输出电压。
[0039]S3：根据误差动态系统构造高性能单环控制器：
[0040][0041]其中，r,k1,k2为控制参数。
[0042]S4：根据李亚普诺夫稳定性理论，分析闭环系统稳定性并进行参数整定。
[0043]具体地，考虑以下带控制参数r的状态变换
[0044][0045]根据(3)和(4)，可以得到
[0046][0047]记x＝(x1,x2)
T
，(5)可写为
[0048][0049]其中，
[0050]选取k1，k2使得A是稳定矩阵，则存在正定矩阵P使得
[0051]PA+A
T
P≤
‑
I
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0052]其中I是单位矩阵。
[0053]取李亚普诺夫函数为V＝x
T
Px，其导数计算为
[0054][0055]当r≤1时，φ的范数上界可表示为
[0056][0057]此时，V的导数可以估计为
[0058][0059]因此，当选取参数使得时，可得
[0060][0061]根据李雅普诺夫稳定性原理，V指数收敛到0，即x1指数收敛到0。由于r是常数，由状态变换(4)可以得到V
o
‑
V
oref
＝e指数收敛到0。
[0062]S5：根据所述高性能单环控制器和PWM调制方法生成驱动信号，实现输出电压控制。
[0063]为了进一步阐述所提控制方法的有效性，在Matlab中搭建了系统仿真模型，进行仿真研究。如图2，Buck变换器参数选择为滤波电感L＝1.5mH，负载电阻R＝20Ω，直流电容C＝470μF。
[0064]如图3，仿真结果表明，传统PI双环控制策略的超调量几乎达到了10V，动态响应时间约0.05s。本专利技术所提Buck变换器控制方法输出电压无超调，且响应时间仅约为0.04s，开关电源高效运行。
[0065]由上述分析可知，与传统的PI双环控制策略相比，本控制方法不仅避免了对虚拟控制量求导造成系统失稳的问题，还大幅度提高了输出电压的动态响应速度，控制精度高，达到了预期控制效果。
[0066]以上说明仅仅为本专利技术的较佳实施例，本专利技术并不限于列举上述实施例。应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本专利技术的实质保护范围之内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：建立Buck变换器的状态空间平均模型；S2：根据状态空间模型变换得到误差动态系统；S3：根据误差动态系统构造高性能单环控制器；S4：对高性能单环控制器进行参数整定；S5：根据所述高性能单环控制器和PWM调制方法生成驱动信号，实现输出电压控制。2.如权利要求1所述的开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，其特征在于：步骤S1所述状态空间平均模型为：所述状态空间平均模型为：其中V
in
为输入电压，V
o
为输出电压，i
L
为电感电流，u为可控开关的占空比，L为滤波电感，C为直流侧电容，R为负载电阻。3.如权利要求2所述的开关电源Buck变换器高性能单环控制方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加海，牛浩，慕健，韩冬军，单曌国，周强，张金刚，李鹏，
申请(专利权)人：烟台东方威思顿电气有限公司，
类型：发明
国别省市：