本發(fā)明涉及一種用于雙管Buck-Boost變換器的自適應滯環(huán)滑?？刂品椒?，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子變換器得到了越來越廣泛的應用。在風能和太陽能發(fā)電、地下礦井供電、通訊電源以及軍用特種車供電電源等場合，要求電力電子變換器將寬范圍變化的直流輸入電壓變換為恒定直流電壓輸出。在這些場合，由于具有輸入輸出電壓極性相同、無源元件少、開關(guān)管電壓應力低等優(yōu)點，雙管Buck-Boost變換器得到了廣泛應用。

PWM控制方法是雙管Buck-Boost變換器常用的控制方法。但是，該控制方法使用了小信號模型，只有在特定條件下，雙管Buck-Boost變換器才能工作在最優(yōu)狀態(tài)下；當存在大信號瞬態(tài)變化時，雙管Buck-Boost變換器的行為無法充分地反映出來，且在參數(shù)攝動和外界干擾時變換器的穩(wěn)定性會受到影響。

相較于PWM控制，滑?？刂瓶梢员ＷC系統(tǒng)在參數(shù)不確定情況下的穩(wěn)定性和魯棒性，且控制器的設(shè)計和實現(xiàn)比較簡單，響應速度較快。雖然滑?？刂凭哂猩鲜鰞?yōu)點，但是，其在應用中的主要問題是開關(guān)頻率不固定的特性，這會造成過大的功率損耗和電磁干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服滑模控制應用于雙管Buck-Boost變換器時的不足，本發(fā)明提出了一種自適應滯環(huán)滑?？刂品椒?。該方法使用滑?？刂拼_保參數(shù)攝動和外部干擾時系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，加入滯環(huán)調(diào)制，使得控制量切換頻率不會過高，通過引入自適應控制，消除開關(guān)頻率的變化。自適應前饋根據(jù)輸入電壓v_in的變化改變滯環(huán)寬度κ，自適應反饋根據(jù)輸出負載的變化修改控制參數(shù)α（即滑動系數(shù)）。該控制方法適用于輸入電壓寬范圍變化以及負載變化較大場合。

為了實現(xiàn)上述目的，用于雙管Buck-Boost變換器的自適應滯環(huán)滑?？刂品椒ò匆韵虏襟E實現(xiàn)，包括：

步驟1，雙管Buck-Boost變換器數(shù)學模型建立；

步驟2，根據(jù)所述數(shù)學模型中的i_L和v_c，構(gòu)建控制軌線函數(shù)S；

步驟3，根據(jù)到達條件，確定控制律u₁和u₂；

步驟4，求解滿足存在條件的不等式關(guān)系；

步驟5，確定滯環(huán)寬度κ和開關(guān)頻率f_s間的關(guān)系；

步驟6，自適應前饋的設(shè)計與實現(xiàn)；

步驟7，自適應反饋的設(shè)計與實現(xiàn)；

步驟8，變換器工作模式（Buck模式和Boost模式）的選擇。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：1)滑模控制提供了出色的大信號處理能力，使得變換器能夠在更大的工作范圍內(nèi)獲得更好的調(diào)節(jié)性能和動態(tài)性能；2)加入滯環(huán)調(diào)制，解決了滑?？刂埔詷O高頻率切換的實際問題，使控制具有有限的切換頻率；3)引入自適應控制，分別通過自適應前饋和自適應反饋針對輸入電壓和負載改變時引起的開關(guān)頻率的變化進行消除，使變換器工作在固定開關(guān)頻率下，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性；4)本發(fā)明將自適應控制引入到滯環(huán)滑?？刂破髦校诟拍钌细鼮橹苯?，不僅保持了滑模控制原有的特性，且不會使瞬態(tài)響應惡化，有效地避免了多種方法結(jié)合使用而導致的設(shè)計復雜、結(jié)構(gòu)龐大、靈活性差等問題。

附圖說明

圖1是雙管Buck-Boost變換器電路結(jié)構(gòu)圖；圖2是雙管Buck-Boost變換器的自適應滯環(huán)滑?？刂品椒ǖ慕Y(jié)構(gòu)框圖；圖3是雙管Buck-Boost變換器的自適應滯環(huán)滑?？刂品椒ǖ南到y(tǒng)圖。

具體實施方式

具體實施方式一：下面結(jié)合圖1說明雙管Buck-Boost變換器數(shù)學模型建立過程，雙管Buck-Boost變換器由Buck變換器和Boost變換器級聯(lián)并簡化得到，根據(jù)輸入電壓與理想輸出電壓大小比較，變換器可分別工作在Buck模式和Boost模式。

（1）當輸入電壓高于輸出電壓時，可控開關(guān)管Q₂保持斷開，二極管D₂導通，控制可控開關(guān)管Q₁來調(diào)節(jié)輸出電壓，變換器等效于一個Buck變換器，得到Buck模式下變換器的數(shù)學模型滿足：

（1）

其中，所述L為濾波電感，C為濾波電容，R為負載電阻，v_in為輸入電壓瞬時值，v_c為輸出電壓瞬時值，i_L為電感電流瞬時值，u₁為Buck模式下變換器的狀態(tài)函數(shù)，當u₁=1時，變換器處于電感充電階段，當u₁=0時，變換器處于電感放電階段。

（2）當輸入電壓低于輸出電壓時，可控開關(guān)管Q₁保持閉合，二極管D₁反向截止，控制可控開關(guān)管Q₂來調(diào)節(jié)輸出電壓，變換器等效于一個Boost變換器，得到Boost模式下變換器的數(shù)學模型滿足：

（2）

其中，所述u₂為Boost模式下變換器的狀態(tài)函數(shù)，當u₂=1時，變換器處于電感充電階段，當u₂=0時，變換器處于電感放電階段。

聯(lián)合公式（1）和公式（2），則雙管Buck-Boost變換器在Buck模式和Boost模式下的統(tǒng)一數(shù)學模型為：

（3）

具體實施方式二：根據(jù)所述數(shù)學模型中的i_L和v_c，構(gòu)建控制軌線函數(shù)S，使S滿足：

（4）

其中，所述I_L為電感電流直流分量，α為正控制系數(shù)，稱其為滑動系數(shù)，V_ref為參考輸出電壓，β為輸出電壓采樣電路的比例系數(shù)，并滿足V_ref =β×V_o，V_o為理想輸出電壓值。

實際電路中，令采樣的電感電流i_L經(jīng)過一個高通濾波器，來等效獲得i_L?I_L。

具體實施方式三：整個滑模運動可以分為兩個階段，第一個階段（稱為到達階段），不考慮控制軌線S的初始位置，滑?？刂茖娖溶壘€向滑動流形移動，該過程需要符合到達條件方可實現(xiàn)。

到達條件要求所選的控制決策引導系統(tǒng)的軌線接近并最終達到滑動流形，即滿足：

（5）

（1）當S>0時，由式（5），則需要滿足，由式（4），則需要滿足：

（6）

當變換器處于Buck模式時，則需滿足，可控開關(guān)管Q₁的控制信號u₁=0；當變換器處于Boost模式時，則需滿足，可控開關(guān)管Q₂的控制信號u₂=1。

（2）當S<0時，由式（5），則需滿足，由式（4），則需滿足：

（7）

當變換器處于Buck模式時，則需滿足，可控開關(guān)管Q₁的控制信號u₁=1；當變換器處于Boost模式時，則需滿足，可控開關(guān)管Q₂的控制信號u₂=0。

導出保證雙管Buck-Boost變換器滿足到達條件的約束條件為：

（8）

得到可控開關(guān)管Q₁的控制信號u₁為：

（9）

得到可控開關(guān)管Q₂的控制信號u₂為：

（10）

采用滯環(huán)函數(shù)實現(xiàn)滑模控制，將式（9）和式（10）重新定義，可表示為：

（11）

（12）

其中，所述κ為滯環(huán)寬度。

具體實施方式四：當軌線到達滑動流形，系統(tǒng)進入控制過程的第二個階段（稱為滑動階段），為了確保軌跡保持于滑動線上，系統(tǒng)必須滿足存在條件：

（13）

結(jié)合式（4），將式（13）重新整理，可得：

（14）

其中，所述ξ為任意小的正數(shù)。

結(jié)合式（9），將式（14）重新整理，可得Buck模式下存在條件為：

（15）

將式（3）代入式（15），可得：

（16）

結(jié)合式（10），將式（14）重新整理，可得Boost模式下存在條件為：

（17）

將式（3）代入式（17），可得：

（18）

具體實施方式五：滿足到達條件和存在條件的滑?？刂埔呀?jīng)具備了較好的穩(wěn)定性和魯棒性，但由于其頻率不固定的特性，將會造成過大的功率損耗和電磁干擾。因此需要加入滯環(huán)調(diào)制，將其開關(guān)頻率限制在某一可控范圍內(nèi)。

為了控制變換器的開關(guān)頻率，必須明確滯環(huán)寬度κ和開關(guān)頻率f_s間的關(guān)系，由滑模運行時相軌跡可得運動一個周期所需時間為：

（19）

其中，所述▽S為S的矢量微分，f^?和f ⁺分別為S<?κ<0和S>κ>0時狀態(tài)變量的速度向量。

由于，則變換器在Buck模式和Boost模式下運動一個周期的時間可分別表示為：

（20）

其中，所述T₁為Buck模式下運動一個周期的時間，κ₁為Buck模式下的滯環(huán)寬度，T₂為Boost模式下運動一個周期的時間，κ₂為Boost模式下的滯環(huán)寬度。

由于上述運動在整個滑模穩(wěn)態(tài)工作期間是重復的，所以變換器工作于滑模狀態(tài)時的開關(guān)頻率為：

（21）

結(jié)合式（16）和式（18），取，可將式（21）重新整理為：

（22）

由于在控制器設(shè)計時僅考慮標稱的穩(wěn)態(tài)工作條件，如果輸出電壓和電感電流的變化非常小，即，，變換器將工作于穩(wěn)態(tài)開關(guān)頻率下，交流頻率擾動非常小，即；考慮到Buck模式下，Boost模式下，可將式（22）重新整理為：

（23）

其中，所述和分別為輸出電壓和電感電流的直流信號，和分別為輸出電壓和電感電流的時變擾動信號，I_o為負載電流。

具體實施方式六：引入滯環(huán)調(diào)制的滑模控制器的開關(guān)頻率仍然會受到輸入電壓變化的影響，引入自適應前饋控制，根據(jù)輸入電壓v_in的變化改變滯環(huán)寬度κ，使開關(guān)頻率在輸入電壓變化時在較小范圍內(nèi)變化。實際中，實現(xiàn)方法是用隨v_in變化的可調(diào)電源V_CC⁺和V_CC^?為施密特觸發(fā)器電路供電。

不同輸入電壓時滯環(huán)寬度的計算利用式（23）給出的計算公式實現(xiàn)，此時將式（23）重新整理為：

（24）

其中，，、L、為變換器的額定參數(shù)，當輸入電壓v_in發(fā)生改變，滯環(huán)寬度κ做出相應改變。

當采用施密特觸發(fā)器作為滯環(huán)調(diào)節(jié)器時，可通過調(diào)節(jié)電源V_CC⁺和V_CC^?的大小來調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度，電路的滯環(huán)寬度可表示為：

（25）

其中，所述R_ST1和R_ST2為施密特觸發(fā)器中相應電阻，V_CC⁺和V_CC^?為構(gòu)成施密特觸發(fā)器所用比較器的電源。

結(jié)合式（24）和式（25），可分別得到變換器Buck模式和Boost模式下實現(xiàn)自適應前饋所需計算公式：

（26）

則變換器Buck模式下V_CC⁺和V_CC^?應為：

（27）

則變換器Boost模式下V_CC⁺和V_CC^?應為：

（28）

實際中，該可變電源可通過簡單的模擬計算獲得，通過采樣輸入電壓v_in，間接改變滯環(huán)寬度κ，即可獲得自適應前饋滯環(huán)滑模電流控制器。

具體實施方式七：不考慮輸入電壓變化的影響，引入滯環(huán)調(diào)制的滑?？刂破鞯拈_關(guān)頻率也會受到負載變化的影響，可引入自適應反饋控制，它根據(jù)工作負載r的變化調(diào)節(jié)滑動系數(shù)α，使變換器在負載變化時維持開關(guān)頻率不變。

引起開關(guān)頻率隨負載變化問題的原因是工作負載電阻與用于控制器設(shè)計的額定負載電阻不同，當這種情況出現(xiàn)時，原來根據(jù)滑動系數(shù)所計算得到的式（24）不再成立，導致開關(guān)頻率偏離額定值；因此，合理的解決辦法是使滑動系數(shù)具有自適應性，不再簡單地設(shè)定為與額定負載R有關(guān)的固定值，而是設(shè)計為與工作負載r有關(guān)，即：；雖然工作負載r不可能直接測得，但可由關(guān)系式得到工作負載電阻的瞬時值；因此，自適應反饋控制策略可由以下改寫的控制軌線函數(shù)S獲得：

（29），

其中，所述i_r為負載電流瞬時值，可通過檢測瞬時i_r和v_c獲取r的瞬時信息；將此信息吸收進控制策略后，即可獲得自適應反饋滑模電流控制器。

具體實施方式八：如圖3所示，雙管Buck-Boost變換器可實現(xiàn)寬范圍輸入，變換器根據(jù)輸入電壓大小選擇工作在Buck模式和Boost模式。

通過采樣輸入電壓v_in，將其送入比較器“?”輸入端，與理想輸出電壓V_o進行比較，該比較器輸出信號q分別和Buck模式和Boost模式下兩個不同的滯環(huán)比較器輸出信號進行邏輯運算，獲得可控開關(guān)管的控制信號。輸出信號q與Buck模式下滯環(huán)比較器輸出信號進行邏輯或運算，得到可控開關(guān)管Q₁的控制信號u₁；輸出信號q與Boost模式下滯環(huán)比較器輸出信號進行邏輯與運算，得到可控開關(guān)管Q₂的控制信號u₂。由此進行Buck模式和Boost模式這兩個不同工作模式的選擇。