一种消除ESL在DC-DC buck二阶滑模控制中影响的方法

摘要

本发明提出了一种消除ESL在DC‑DC buck二阶滑模控制中影响的方法，包括：步骤1，对理想buck变换器(不考虑寄生参数)建立有限状态机二阶滑模控制器；步骤2，将寄生参数ESL引起输出电压跳变的值引入状态机控制的判断条件中，修正ESL引起的实际输出电压超调。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种消除ESL在DC-DC buck二阶 滑模控制中影响的方法。

背景技术

DC-DC转换器广泛应用于电力系统，电动汽车以及各种应用中，以适应 电源和负载之间的各种电压和电流水平。不考虑寄生参数时，理想的DC-DC buck变换器二阶滑模控制方法，基于状态机结构的控制器，不需要任何电流 测量电路，仅仅采用电压反馈，则能够是buck变换器具有很好的动态，而且 对参数不确定和负载扰动具有很好的鲁棒性。但是在实际应用中，电路中的寄 生参数不可避免，而寄生参数可能会降低二阶滑模控制器的控制性能。

发明内容

本发明旨在消除在DC-DC buck二阶滑模控制中，ESL造成输出电压超调， 降低控制器控制性能的问题。

本发明提出了一种消除DC-DC buck电路中串联寄生电感(ESL)在二阶 滑模控制中影响的控制方法。本方法在理想buck变换器的状态机控制器的基 础上，在状态切换判断条件中引入由串联寄生电感引起输出电压跳变的跳变值 Δh进行补偿，避免对δ误判断，消除可能引起的由开关误操作造成的输出电 压超调。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种消除DC-DC buck电路中 串联寄生电感(ESL)在二阶滑模控制中影响的控制方法，其关键在于，包括：

步骤1，对理想buck变换器(不考虑寄生参数)建立有限状态机二阶滑 模控制器，定义滑模变量，建立滑模面，设定有效状态和初始状态，使有效状 态对应所述控制器输出量；

步骤2，将ESL引起输出电压跳变的值引入步骤1中状态机控制器对δ的 判断条件中，修正ESL引起的输出电压超调。

所述的一种消除DC-DC buck电路中串联寄生电感(ESL)在二阶滑模控 制中影响的控制方法，优选的，所述步骤1包括：

步骤1-1，建立理想buck电路有限状态机二阶滑模控制器，不考虑寄生参 数的影响。定义滑模变量s，在所述控制器参数不确定和负载扰动情况下，将 在有限时间内控制器轨迹到达二阶滑模面它包含了4个有效状态 OFF⁺,OFF^-,ON⁺,ON^-和1个初始状态(initial)。状态OFF⁺,和ON⁺对应了>-和ON^-对应了滑模量s＜0.而且，状态OFF⁺和OFF^-对>减小的系统运动轨迹，而状态ON⁺和ON^-对应了滑模>增加的系统运动轨迹.在每个有效状态中u＝1或u＝0为控制器的 输出量。；

步骤1-2，所述控制器采用两个变量s_m和s_M，s_m保存滑模变量s在有效状>+和ON^-中的最小值，而s_M保存s在状态OFF⁺和OFF^-的最大值，所述控>m和s_M决定，所述变量s_m和s_M会随着所述控制器中状>

步骤1-3，当状态轨迹从有效状态ON^-出发后，变量s_m将保存s的最小值，>m满足后，其中0＜β＜1，有效状态OFF^-将被激活；由于0＜β＜1，所>m比s_m更接近原点，在有效状态OFF^-中，系统运动轨迹逐渐靠近横>M将被连续更新，直到轨迹到达横轴，穿越横轴后，轨迹将远离横轴，>m＞δ，其中δ为确定的时滞值，用于限制控制器输出量的切>-将再次被激活，在状态ON^-中，当系统轨迹穿越横>m将被滑模变量s的最小值替换，然后，按照同样的收敛过程，如果δ足够小，控制器将轨迹到达相平面的原点附近，当控制器轨迹从相平面的右边出发时，将有类似的收敛轨迹。

所述的一种消除DC-DC buck电路中串联寄生电感(ESL)在二阶滑模控 制中影响的控制方法，优选的，所述步骤2包括：

步骤2-1，考虑到寄生参数ESL的影响，采用步骤1的有限状态机二阶滑 模控制器，每次开关状态切换时，buck电路中存在的ESL会在输出电压上引 起一个大小为Δh的跳变，造成开关状态切换条件对δ的误判断，令输出电压 超调。

步骤2-2，将Δh引入状态机切换判断条件中，补偿ESL引起的跳变，消除 输出电压的超调。

所述的一种消除DC-DC buck电路中串联寄生电感(ESL)在二阶滑模控 制中影响的控制方法，优选的，所述步骤2-1包括：

当开关状态为u＝1时，输出电压为其中V_c为输出电>为串联寄生电阻(ESR)的两端电压，为ESL两端 电压的绝对值。当开关状态为u＝0时，输出电压为输 出电压的跳变值即跳变值Δh由ESL两端电压 在开关切换瞬间的跳变值决定。

所述的一种消除DC-DC buck电路中串联寄生电感(ESL)在二阶滑模控 制中影响的控制方法，优选的，所述步骤2-2包括：

在所述引入跳变值Δh的有限状态机未接滑模控制器运行过程中，从到的切换条件由理想状态时的s_M-s≥δ变为s_M-(s+Δh)≥δ；从到的切换条件由理想状态时的s≥β_Ns_m+δ变为s-Δh≥β_Ns_m+δ；从>到的切换条件由理想状态时的s≤β_Ps_M-δ变为s+Δh≤β_Ps_M-δ；>到的切换条件由理想状态时的s-s_m≥δ变为(s-Δh)-s_m≥δ；>N和β_P由和动态调整。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.输出电无超调；

2.动态响应速度快；

3.无需检测电流；

4.对电路参数的不确定性，具有很好的鲁棒性；

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法的DC-DC buck变换器的电路图；

图2是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法的理想buck电路的有限状态机二阶滑模控制器轨迹运动在状态平面 的左侧；

图3是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法中理想buck电路的有限状态机二阶滑模控制器；

图4是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法中理想buck电路的有限状态机二阶滑模控制器稳态极限环轨迹；

图5是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法中三种情况下的输出电压；

图6A至6B是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制 中影响的控制方法中考虑寄生参数时的两种开关状态；

图7是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法中由ESL引起的输出电压跳变。

图8是本发明一种消除DC-DC buck电路中ESL在二阶滑模控制中影响的 控制方法的有限状态机二阶滑模控制器；

图9是本发明工作流程图；

图10是本发明电路仿真效果图；

图11是本发明电路的动态响应图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元 件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描 述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明公开一种消除ESL在DC-DC buck二阶滑模控制中影响的方法，

图1显示了DC-DC buck变换器的电路图。图中，V_g是输入电压，V_o是输>L是电感电流，R_load是负载电阻，L是电感,R_c是ESR，L_c是ESL，选>

s＝V_o-V_ref>

一阶微分为：

二阶微分为：

如果变换器空载，用将(3)标准化为

如图2所示被选作滑模面。当控制轨迹穿过横轴时，s_m保>M保持着s的最大值，δ是一个滞回参数；理论上当δ趋近于0>

图3是理想buck电路的状态机控制器，启动阶段，若s＜0，进入ON^-，当>ns_m+δ时切换到OFF^-；随后，当满足s-s_M≤-δ又会回到ON^-，同时>N和s_m的值。当s≥0时，情况类似。

理想的切换值为

当到达平衡点附近时，根轨迹会进入一个极限环，如图4所示。实际上， 寄生参数可能会降低控制器的性能，如图5所示，绿色黄色和紫色的线分别表 示理想buck电路的原控制器的输出电压、考虑寄生参数的buck电路在原控制 器控制下有超调的输出电压和考虑寄生参数的buck电路在改进后的控制器控 制下的输出电压。

计算参数Δh

变换器的两种状态如图6A和6B所示，有以下公式满足：

在电路启动时，当u＝1时，V_g给L和C充电，电流i_c增大，L_c两端电压为此 时当u＝0时，电感L和L_c释放能量继续给C充电，电流i_c减>c两端电压反向，为此时所以当开关从导通 切换到关断时，V_o上会出现一个跳变Δh

当开关从关断切换到导通时，如图7所示V_o也会出现一个跳变，s落后V_o时间>con，t_con时A/D转换器将模拟信号转换为数字信号所用的时间。这就意味着>o是t_con之前的值，每次开关切换引起的跳变Δh都会使得s在t_con之后突然变化。

当Δh＞δ时，开关的误操作有两种情况：

误导通：

当开关从导通切换到关断时，s会在延时t_con后减小Δh，这会造成下面的判>

s_M-s＝Δh≥δ>

控制器将错误的切换到u＝1.

误关断：

当开关从导通关断到切换时，s会在延时t_con后增大Δh，这会造成下面的判>

s-s_m＝Δh≥δ>

控制器将错误的切换到u＝0

用Δh修正二阶滑模状态机控制器

为了消除ESL两端电压跳变对输出电压的影响，可以使用Δh对状态机控制 器进行补偿。修正后的状态机判断条件如下所示：

从OFF^-到ON^-:

s-Δh≥β_Ns_m+δ>

从ON^-到OFF^-:

s_M-(s+Δh)≥δ>

从OFF⁺到ON⁺:

s+Δh≤β_Ps_M-δ>

从ON⁺到OFF⁺:

(s-Δh)-s_m≥δ>

使用可以实时测量的Δh，可以补偿s的跳变从而避免由ESL引起的输出电压超调，改进后的状态机控制器如图8所示。

如图9所示，本发明提供了一种改进的DC-DC buck变换器二阶滑模控制方法， 关键在于，包括：

步骤1，对理想buck变换器(不考虑寄生参数)建立有限状态机二阶滑 模控制器，定义滑模变量，建立滑模面，设定有效状态和初始状态，使有效状 态对应所述控制器输出量；

步骤2，将ESL引起输出电压跳变的值引入步骤1中状态机控制器对δ的 判断条件中，修正ESL引起的输出电压超调。

其中以matlab/simulink仿真来验证本发明方法。参数如表1所示 表1同步BuckDC-DC变换器的参数

V_g5VV_ref1.25Vδ0.006L1uHC270ufR0.5-5Ω

电路仿真效果如图10所示,V₁是未引入Δh的状态控制器输出电压波形，V₂引入Δh后改进的状态机控制器输出电压波形。

当负载切换时，电路的动态响应如图11所示，切换的负载为R_load＝0.5Ω>load＝5Ω，电路的L_C＝2nH,R_C＝0.006Ω。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解： 在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、 替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。