一种Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法

摘要

本发明公开了一种Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法，其特征是：首先获得输入电压、电感电流、电容电压和Buck-Boost变换器主电路的状态平均模型，其次获得Buck-Boost变换器系统的协同控制律，再次获得电感电流期望值，最后获得所述Buck-Boost变换器系统的协同无源控制律，从而实现对所述Buck-Boost变换器系统的非线性控制。本发明能有效消除Buck-Boost变换器系统电感电流的瞬态超调，减小电容电压的稳态误差，从而提高Buck-Boost变换器系统的稳定性。

主权项

1.一种Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法，其特征是：所述Buck-Boost变换器系统的组成包括：Buck-Boost变换器主电路、输入电压检测调理电路、电感电流检测调理电路、电容电压检测调理电路、开关管驱动电路和处理器模块，所述Buck-Boost变换器主电路是由输入电源、开关管MOS、电感L、二极管D、电容C和负载R组成；所述Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法按如下步骤进行：步骤一、获得输入电源的输入电压U_in、电感L的电流i_L、电容C的电压u_C和Buck-Boost变换器主电路的状态平均模型：1.1、由所述输入电压检测调理电路、电感电流检测调理电路和电容电压检测调理电路分别获得输入电源的输入电压U_in、电感L的电流i_L和电容C的电压u_C；1.2、令i_L=x₁，u_C=x₂，在连续工作模式下，获得所述Buck-Boost变换器主电路的状态平均模型如式(1)所示：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}\\ y=x_1\end{array}\right.---\left(1\right)$式(1)中：$A=\left(\begin{array}{cc}0& -\frac{1-d_1}{L}\\ \frac{1-d_1}{C}& -\frac{1}{\mathrm{RC}}\end{array}\right),$$x=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right],$$B=\left(\begin{array}{cc}\frac{d_1}{L}& 0\\ 0& 0\end{array}\right),$$u=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}\\ 0\end{array}\right],$d₁表示Buck-Boost变换器主电路中开关管MOS开通与关断的占空比；步骤二、获得Buck-Boost变换器系统的协同控制律：2.1、定义所述Buck-Boost变换器系统的状态轨迹趋向流形的动态演化规律为：$T\stackrel{·}{\Psi }+\Psi =0---\left(2\right)$式(2)中，T表示所述Buck-Boost变换器系统的状态轨迹趋向流形的收敛速度，且T＞0，并定义宏变量Ψ为：Ψ=(x₂-x_2ref)+k(x₁-x_1ref)    (3)式(3)中：x_1ref和x_2ref分别表示电感L的电流期望值和电容C的电压期望值，k为控制参数，且k＞0；2.2、利用式(1)、式(2)和式(3)获得所述Buck-Boost变换器系统的协同控制律d为：$d=1-\frac{\frac{k}{L}{U}_{\mathrm{in}}-\frac{1}{\mathrm{RC}}{x}_2+\frac{(x_2-x_{2\mathrm{ref}})+k(x_1-x_{1\mathrm{ref}})}{T}}{\frac{k}{L}{x}_2-\frac{1}{C}{x}_1+\frac{k}{L}{U}_{\mathrm{in}}}---\left(4\right)$式(4)中，所述协同控制律d为所述Buck-Boost变换器主电路中开关管MOS开通与关断的占空比d₁的值；步骤三、获得电感L的电流期望值x_1ref：3.1、将所述Buck-Boost变换器主电路的状态平均模型改写为如式(5)所示的欧拉-拉格朗日模型：$\left\{\begin{array}{c}D\stackrel{·}{x}+(1-d)\mathrm{Jx}+\mathrm{Rx}=ϵ\\ y=x_1\end{array}\right.---\left(5\right)$式(5)中：$D=\left(\begin{array}{cc}L& 0\\ 0& C\end{array}\right),$$J=\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ -1& 0\end{array}\right),$$R=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1/R\end{array}\right),$$ϵ=\left[\begin{array}{c}d{U}_{\mathrm{in}}\\ 0\end{array}\right];$3.2、定义所述Buck-Boost变换器系统的误差变量为则有所述Buck-Boost变换器的误差状态方程为：$D\stackrel{\stackrel{·}{~}}{x}+(1-d)J\tilde{x}+R\tilde{x}=ϵ-D{\stackrel{·}{x}}_{\mathrm{ref}}-(1-d)J{x}_{\mathrm{ref}}-R{x}_{\mathrm{ref}}---\left(6\right)$3.3、对所述误差状态方程注入阻尼获得式(7)：$D\stackrel{\stackrel{·}{~}}{x}+(1-d)J\tilde{x}+\tilde{R}\tilde{x}=ϵ-D{\stackrel{·}{x}}_{\mathrm{ref}}-(1-d)J{x}_{\mathrm{ref}}-R{x}_{\mathrm{ref}}+R_1\tilde{x}---\left(7\right)$式(7)中：$\tilde{R}=R+R_1,$$R_1=\left(\begin{array}{cc}{R}_d& 0\\ 0& 0\end{array}\right),$R_d＞0；3.4、令式（7）中的$ϵ-D{\stackrel{·}{x}}_{\mathrm{ref}}-(1-d)J{x}_{\mathrm{ref}}-{\mathrm{Rx}}_{\mathrm{ref}}+R_1\tilde{x}$为0，获得式(8)：$\left\{\begin{array}{c}L{\stackrel{·}{x}}_{1\mathrm{ref}}+(1-d)x_{2\mathrm{ref}}-R_d(x_1-x_{1\mathrm{ref}})=d{U}_{\mathrm{in}}\\ C{\stackrel{·}{x}}_{2\mathrm{ref}}-(1-d)x_{1\mathrm{ref}}+x_{2\mathrm{ref}}/R=0\end{array}\right.---\left(8\right)$3.5、令x_2ref=U_ref，并代入式(8)中的获得电感L的电流期望值x_1ref：$x_{1\mathrm{ref}}=\frac{U_{\mathrm{ref}}}{R(1-d)}---\left(9\right)$步骤四、获得所述Buck-Boost变换器系统的协同无源控制律：4.1、在所述处理器模块中，利用式(4)和式(9)，获得所述Buck-Boost变换器系统的协同无源控制律为：$\left\{\begin{array}{c}d=1-\frac{\frac{k}{L}{U}_{\mathrm{in}}-\frac{1}{\mathrm{RC}}{x}_2+\frac{(x_2-x_{2\mathrm{ref}})+k(x_1-x_{1\mathrm{ref}})}{T}}{\frac{k}{L}{x}_2-\frac{1}{C}{x}_1+\frac{k}{L}{U}_{\mathrm{in}}}\\ x_{1\mathrm{ref}}=\frac{U_{\mathrm{ref}}}{R(1-d)}\end{array}\right.---\left(10\right)$4.2、将所述协同无源控制律通过所述开关管驱动电路，控制所述Buck-Boost变换器主电路中开关管MOS的开通与关断，实现对所述Buck-Boost变换器系统的非线性控制。