[发明专利]基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统和方法

权利要求书

1.基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统，其特征在于，Buck变换器中的开关元件由控制器进行PWM控制，所述控制器中设置有负载识别器、轨迹规划器、监管器、轨迹预测控制器、PI控制器、选择器和数字脉宽调节器；

所述负载识别器，用于检测Buck变换器的负载参数；

所述轨迹规划器，根据输入电源参数、Buck变换器的系统参数以及负载参数建立状态模型，规划出Buck变换器的相轨迹；

所述监管器，用于检测Buck变换器的电感电流、输入电压以及输出电压，同时根据负载参数输出控制策略切换信号；

所述轨迹预测控制器，用来检测电感电流值，并与预测规划的电感电流值对比，实现动态轨迹的跟踪控制；

所述PI控制器，用于检测Buck变换器的输出电压，并根据预设的参考电压V_ref计算偏差进行PI调节，实现稳态跟踪；

所述选择器，用于根据所述监管器输出的轨迹切换信号，选择按照轨迹预测控制器的控制策略还是PI控制器的控制策略进行控制；

所述数字脉宽调节器，根据选择器输出的控制策略，驱动所述Buck变换器中的开关元件实现PWM控制。

2.根据权利要求1所述的基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统，其特征在于，Buck变换器输出端的负载为阻性负载，所述负载识别器通过检测输出电压和输出电流实现负载阻值的识别。

3.根据权利要求1所述的基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统，其特征在于，所述轨迹规划器按照以下步骤进行轨迹规划：

步骤1：将Buck变换器的工作状态分为开关管开通模态、电感电流非零的关断模态、电感电流为零的关断模态三种情况，并据输入电源参数、Buck变换器的系统参数以及负载参数建立线性状态空间模型；

步骤2：根据状态空间模型的解建立电流连续模式和电流不连续模式下的频闪映射模型，对频闪映射模型进行推导，得到两种模式下的周期不动点和稳态解，从而得到两种模式下的稳态相轨迹，结合对输出电压纹波峰峰值及电感电流峰峰值的指标要求，通过对电容、电感及控制周期的参数搜索，找到满足指标要求的稳态相轨迹，可实现稳态轨迹的规划；

步骤3：根据线性状态空间模型的解存在且唯一，得到初始状态点的前向状态轨迹，根据线性状态空间模型的解推导反向映射以确定目标点为初始点的反向轨迹，前向轨迹和反向轨迹相交于开关切换点，实现动态轨迹的规划和切换点的求解。

4.根据权利要求1或3所述的基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统，其特征在于，所述轨迹规划器和轨迹预测控制器中设置有电流上限值和电流下限值，当所述电感电流上升达到电流上限值时，进入恒流控制模式，以电流上限值和电流下限值作为边界进行滞回电流跟踪控制，直到轨迹与从目标点为初始点的反向轨迹相交。

5.根据权利要求3所述的基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统，其特征在于，建立状态空间模型时，Buck变换器中的Buck电路的等效电路中考虑了寄生参数，开关管采用MOSFET开关管，设定静态漏源极通态阻抗R_ON，令x＝[i_L u_O]^T和u＝[E_dc U_D]^T分别为系统的状态向量和输入向量，系统的状态空间模型表示为：

式中

式中A₁和B₁是开通模态矩阵，A₂和B₂是电感电流非零的关断模态矩阵，A₃和B₃是电感电流为零的关断模态矩阵；E_dc是直流输入电源，U_D是反并联二极管导通压降，R_L是电感的等效串联电阻，R_C是电容C的等效串联电阻，R是负载电阻值；i_L是电感电流，u_O是输出电压，L为电感的感值，C为电容的容值。

6.一种基于相轨迹规划和跟踪的Buck变换器控制系统的控制方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1：上电初始化，Buck电路中的开关管开通；

步骤2：通过检测输出电压V_o和输出电流i_o，识别负载阻值R；

步骤3：根据输入电源参数、Buck变换器的系统参数以及负载阻值R建立状态模型，进行轨迹规划，求解开关切换点；

步骤4：根据实时检测的输入电压V_in、输出电压V_o、电感电流i_L和负载值R，计算当前状态点；

步骤5：判断当前状态点是否达到稳态切换点以实施稳态控制策略，是，进入步骤6，否则返回步骤4；

步骤6：通过控制策略切换，对Buck电路进行PI控制；

步骤7：判断输入电压V_in和负载值R的变化是否超出阈值，是，返回步骤3，否则返回步骤6。