一种基于指数收敛对并联DC-DC型Buck变换器的均流控制方法

摘要

本发明公开了一种基于指数收敛对并联DC‑DC型Buck变换器的均流控制方法，获得并联的每一条Buck支路上的电感电流导数和变换器输出端的电压导数

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其是一种基于指数收敛对并联Buck变换器电路的新型均流控制方法。

背景技术

并联DC-DC型Buck变换系统有着大容量，高效率，高可靠性和低成本的优点，因此在大功率负荷系统中广泛应用。然而，在实际中,每一个Buck变换器的参数是不一定相同的，因而会产生不同的电感电流，这会影响到Buck变换器的寿命。因此,对于并联DC-DC型Buck变换系统来说，最大的挑战就是均流控制器的设计。

多年以来，控制领域产生了很多关于均流的控制策略。下垂控制、反步法均流控制技术、双闭环均流控制技术、热应力均流控制。注意到，大多数的均流控制都是线性控制。然而并联DC-DC型Buck变换器为非线性控制对象，线性控制并不能达到很高的精确性和快速收敛性。近几年来，很多非线性控制，如混沌控制，滑模控制，基于指数收敛的控制也应用于此，取得了很大的成就，但都用于单个DC-DC型Buck变换器。查阅了所有的相关文献和专利，本人是第一个将指数收敛用于多个，并联DC-DC型Buck变换系统中。相对于传统方法，基于指数收敛的控制具有更快的收敛速率和更好的负载干扰抑制能力。

发明内容

为了克服上述现有技术，为此，本发明提供一种基于指数收敛的均流控制器的Buck变换系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于指数收敛对并联DC-DC型Buck变换器的均流控制方法，并联DC-DC型Buck变换器包括a条并联的Buck支路，每条Buck支路上包括受控开关S、二极管D、电感L，受控开关S的输入端与输入电源的正极连接，输出端与电感的一端和二极管D的负极连接，电感的另一端经过电阻R与输入电源的负极和二极管的正极连接，电阻R的两端并联电容C，a条并联的Buck支路共用并联在输出端的电容C和电阻R，每条并联的Buck支路对应相应的电感L和控制开关S；均流控制器分别控制开关S₁，S₂，...,S_a的占空比，均流控制器获得期望的输出电压值U_d和并联Buck电路中每条Buck之路上电感的电流值、输入电源、输出电压U_c，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得并联的每一条Buck支路上的电感电流导数和变换器输出端的电压导数表达式，

其中μ₁，μ₂，...,μ_a是相应Buck支路上控制开关S₁，S₂，...,S_a的占空比，μ₁，μ₂，...,μ_a∈(0,1)，E是Buck变换器的输入电源的电压，L₁,L₂,...,L_a分别是并联Buck支路上的电感，C是Buck变换器中电容、R是Buck变换器中的电阻，U_c为电阻R两端的电压值；

S2、定义电压的跟踪误差，X₁＝U_d-U_c，获得动态方程

定义如下公式：

X_2,i表示第i条Buck变换器的电压的微分项，通过调节此项的控制增益；

X_3,i表示第i条Buck电路的电流协同误差总和项；通过调节此项，使得电流达到均流效果；

S3、根据步骤S2获得的参数和输入电压E、电感值、电容值、变化的负载电阻R、期望的输出电压值U_d、均流控制器的增益参数K₁、K₂、K₃，获得有限时间均流控制器各支路中控制开关的占空比的值，即

均流控制器的增益参数为正，K₁、K₂、K₃＞0；

S4、根据DC-DC型Buck变换器负载的电阻值变化的输出电压和电感电流的响应曲线，获得负载与时间的函数。

本发明的优点在于：

(1)本发明中的基于指数收敛的均流控制器，实现了更快的收敛速率和更好的负载干扰抑制能力。提高了系统的鲁棒性，并且提高了并联DC-DC型Buck变换系统均流控制的速度和精度。

(2)每一条DC-DC型Buck支路中电感L_a的电流分别作为均流控制器的输入值，达到整个系统均流的目的。

附图说明

图1为本发明一种基于指数收敛的均流控制器的Buck变换系统的原理框图。

图2为本发明一种基于指数收敛的均流控制器的Buck变换系统和传统PID控制的Buck变换系统输出电压收敛效果对比实验图。

图3为本发明一种基于指数收敛的均流控制器的Buck变换系统和传统PID控制的Buck变换系统电感电流均流效果对比实验图。

图4为负载突变的条件下，基于指数收敛的均流控制器的Buck变换系统和传统PID控制的Buck变换系统输出电压收敛效果对比实验图。

图5为负载突变的条件下，基于指数收敛的均流控制器的Buck变换系统和传统PID控制的Buck变换系统电感电流均流效果对比实验图。

图6为并联Buck电路的原理图。

具体实施方式

一种基于指数收敛对并联DC-DC型Buck变换器的均流控制方法，如图1和图6所示，变换器包括均流控制电路和并联DC-DC型Buck变换器,所述并联DC-DC型Buck变换器包括负载电阻R、与负载电阻并联的电容C、电源E，电源E的正极通过并联的若干路DC-DC型Buck支路后与电容C和负载电阻R的一端连接，电源E的负极与电容C和负载电阻R的另一端连接；

每一路DC-DC型Buck支路均包括可控开关S_a、二极管D_a、电感L_a,所述可控开关S_a的输入端与电源E的正极连接，输出端与二极管D_a的负极和电感L_a的一端连接，受控端与均流控制器的指定输出端连接，所述二极管D_a的正极与地连接，电感L_a的另一端作为DC-DC型Buck支路的输出端与电容C和负载电阻R的一端连接，每一路DC-DC型Buck支路中电感L_a的电流、负载电阻R两端的压差U_c、期望输出电压U_d分别作为均流控制器的输入值。

在该实施例中，DC-DC型Buck变换器包括a条并联的DC-DC型Buck支路。第一个DC-DC型Buck支路包括可控开关S₁、二极管D₁、电感L₁，第二个DC-DC型Buck支路包括可控开关S₂、二极管D₂、电感L₂，第a条DC-DC型Buck支路包括可控开关S_a、二极管D_a、电感L_a。

均流控制器分别控制开关S₁，S₂，...,S_a的占空比，均流控制器获得期望的输出电压值U_d和并联Buck电路中每条Buck之路上电感的电流值、输入电源、输出电压U_c。

使用上述基于指数收敛的均流控制器的Buck变换器的控制方法，包括以下步骤：

S1、获得并联的每一条Buck支路上的电感电流导数和变换器输出端的电压导数表达式，

其中μ₁，μ₂，...,μ_a是相应Buck支路上控制开关S₁，S₂，...,S_a的占空比，μ₁，μ₂，...,μ_a∈(0,1)，E是Buck变换器的输入电压，L₁，L₂，...,L_a分别是并联Buck支路上的电感，C是Buck变换器中电容、R是Buck变换器中的电阻，U_c为电阻R两端的电压值；

S2、定义电压的跟踪误差，X₁＝U_d-U_c，其中U_d为参考电压，获得动态方程

定义如下公式：

注释：定义X_2,i在这里的实际意义可以看成第i个电路的电压的微分项。在控制器中，通过调节此项的控制增益，实现更好电压跟踪效果。

注释：定义X_3,i的实际意义是各个电路的电流协同误差总和项。通过调节此项，使得电流达到均流效果。

S3、根据步骤S2获得的参数和输入电压E、电感值、电容值、变化的负载电阻R、期望的输出电压值U_d、均流控制器的增益参数K₁、K₂、K₃，获得有限时间均流控制器各支路中控制开关的占空比的值，即

以下a＝2为例，并联DC-DC型Buck变换器电路由两个DC-DC型Buck变换器构成。其中，两个个变换器元件取值分别为：输入电压E＝16V，电感L₁＝L₂＝100μH，电容C＝1000μF，负载电阻R＝5Ω，期望的输出电压U_d＝20V。

基于指数收敛的均流控制器具体增益参数为：

K₁＝3.0，K₂＝0.01，K₃＝0.02

其它参数保持不变，获得随着DC-DC型Buck变换器负载的电阻值变化的输出电压和电感电流的响应曲线，为了体现本发明的技术效果，在相同的参数条件下，传统的PID控制器的控制增益为：k_p＝1，k_i＝10，k_d＝1。

获得如图2，3所示的基于指数收敛的均流控制器的DC-DC型Buck变换器电路和传统PID控制的DC-DC型Buck变换器电路输出电压收敛效果对比实验图、电感电流均流效果对比实验图；图4，5所示的负载突变的条件下，基于指数收敛的均流控制器的DC-DC型Buck变换器电路和传统PID控制的DC-DC型Buck变换器电路输出电压收敛效果对比实验图。

获得负载与时间的函数。负载具体变化如下：

上述结果表明，相对于传统的控制器，本发明中基于指数收敛的均流控制器，有效提高了电压和电流的收敛速率，具有更强的抗干扰抑制能力，提高了系统的鲁棒性，并且提高了并联DC-DC型Buck变换系统均流控制的速度和精度。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。