[发明专利]一种Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种DC-DC变换器控制系统，更具体地说是一种具有升压和降压功能的Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法。

背景技术

Buck-Boost变换器由于具有结构简单、输入电压范围宽和灵活实现升压与降压控制等优点，因此在电力电子领域得到了广泛的应用。

Buck-Boost变换器通常采用经典的电流内环和电压外环的双闭环PI控制，但Buck-Boost变换器系统在输入电压变化、负载变化及其电路电子器件参数发生改变条件下，经典的双闭环PI控制往往无法获得满意的系统动态和静态控制性能，甚至会出现系统不稳定运行的现象，尚需寻求高性能的非线性控制策略。

对Buck-Boost变换器，常用的非线性控制策略有滑模控制、无源控制和协同控制等。采用滑模控制设计的系统，具有较强的鲁棒性，但此种控制不能使开关管MOS工作在固定的频率下，输出电压稳态误差较大，对滤波器的设计要求较高。

无源控制是基于能量耗散理论，对外部扰动和系统参数变化均具有较强鲁棒性技术优势，但研究表明：对较大范围的外部扰动，无源控制下Buck-Boost变换器的输出电压稳态误差较大。为改善系统性能，在无源控制的基础上，引入滑模控制，有效抑制了Buck-Boost变换器电感电流的瞬态超调，但针对负载扰动，Buck-Boost变换器系统仍然存在较大的输出电压稳态误差。更有将无源控制和PI控制相结合的控制策略，针对外部扰动，Buck-Boost变换器系统虽然能够镇定到平衡点，但电感电流存在瞬态超调，且输出电压稳态误差依然较大。

非线性控制中的协同控制，是基于定向自组织原理，按照协同控制理论设计的控制器具有较好的稳态特性和动态性能，并对参数的变化具有很强的鲁棒性。但研究表明：协同控制下Buck-Boost变换器的电感电流存在较大的瞬态超调。为改善系统性能，在协同控制的基础上，改进协同控制中的宏变量的选取，在一定程度上减小但不能完全消除电感电流的瞬态超调，是以增加软件开销为代价，尚需寻找有效抑制电感电流瞬态超调的控制方法。在协同控制基础上引入遗传算法优化协同控制器参数，因宏变量选取时包含积分环节，在输入电压变化、负载变化及其电路电子器件参数发生改变条件下，Buck-Boost变换器系统能够镇定至平衡点，但Buck-Boost变换器的电感电流依然存在瞬态超调，且在协同控制策略中引入积分环节，采用遗传算法优化控制器参数导致控制策略复杂，增加了软件开销，不易于控制算法的实时实现。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单且易于实现的Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法，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。

本发明为解决技术问题采取如下技术方案：

本发明一种Buck-Boost变换器系统的非线性控制方法的特点是：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：