[发明专利]三电平DC‑DCbuck变换器的二阶滑模控制及其有限状态机实现方法

摘要

本发明公开了一种三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制及其有限状态机实现方法，包括如下步骤S1，建立三电平DC‑DC buck变换器数学模型，将所述DC‑DC buck变换器的输出量和参考值的差定义为滑模量，建立和分析滑模动态方程；S2，变换器的工作模态分四种状态，在切换效率最高且无输出超调量的前提下，得到临界切换系数βmin，根据计算得到的临界切换系数βmin，执行S3；S3，建立二阶滑模控制方法的有限状态机控制器，将计算得到的临界切换系数β代入有限状态机控制器，调节三电平DC‑DC buck变换器的输出电压跟踪参考值。本发明能够发挥三电平DC‑DC buck变换器相较于传统buck变换器的优势。

主权项

一种三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制及其有限状态机实现方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，建立三电平DC‑DC buck变换器数学模型，将所述DC‑DC buck变换器的输出量和参考值的差定义为滑模量，建立和分析滑模动态方程；其中变换器为：第一开关管g1漏极连接电压源正极端，第一开关管g1源极分别连接第三开关管g3漏极和飞跨电容一端，第三开关管g3源极分别连接电感一端和第四开关管g4漏极，第四开关管g4源极分别连接飞跨电容另一端和第二开关管g2漏极，第二开关管g2源极分别连接电压源负极端和输出电容一端，输出电容另一端连接电感另一端，输出电容还并联负载；步骤S1包括：DC‑DC buck变换器的动态方程如下，其中，第一开关管g1，第二开关管g2，第三开关管g3，第四开关管g4对应的控制信号分别为u1，u2，u3，u4，vlev是u1，u2，u3，u4的函数，即vlev＝f(u1,u2,u3,u4)；当占空比D＜0.5，vlev的三种电压为0、Vin‑vcf和vcf，其中vo为变换器输出电压，iL是变换器电感电流，R为负载，L和C分别是滤波器电感和电容，Vin是输入电压，vcf为飞跨电容电压；将输出电压和参考电压的误差定义为滑模量s＝vo‑Vref，参考电压是一个常量，则滑模量s的一阶导数为s的二阶导为上述变换器的滑模动力学方程的相对阶为2；传统一阶滑模控制方法通常选择作为滑模面，而二阶滑模控制方法选择作为滑模面；如果能够在不检测情况下能够迫使s和到0，那么二阶滑模控制器就能够在不检测电流的情况下调节输出电压；在平面中的左侧的理想轨迹由状态2、状态3和状态1的切换来驱动，sm存储状态2、状态3期间s的最小值，sM存储状态1期间s的最大值；切换条件中含有sm，sM这两个变量，故这两个变量要实时更新；s起始时为负值，进入状态2或状态3，相轨迹顺时针向上运动，当条件s＞βNsm(0＜βN＜1)满足，进入状态1，且由0＜βN＜1知切换点比起始点(sm,0)更接近于原点；在状态1，相轨迹顺时针向下靠近水平轴运动，当轨迹穿越水平轴时，变量sM更新为此状态1期间s的最大值；之后相轨迹远离水平轴；直到条件s‑sM＜‑δ满足时，再切换到状态3或状态2；条件s‑sM＜‑δ，能够保证在不知道的前提下，仍能得到切换时刻，这样二阶滑模控制方法不必检测电流，节约了检测成本；为起始于左半平面的相轨迹运动图；根据上式，滑模量s的动态方程为考虑到负载R是在(0,∞]范围，上式对应有阻尼时变换器的动力学方程；考虑无阻尼时的动力学方程更方便，用变换式对无阻尼时的动力学方程进行标准化，得式其中snorm为标准化滑模量，这里我们先考虑相轨迹起始于左半平面的情况；根据状态2的相轨迹描述如下状态3的相轨迹描述如下状态1的相轨迹描述如下穿越过切换点后，轨迹在(s1,0)穿越水平轴，切换系数βN的最小值βNmin保证轨迹穿过原点；这样，比βNmin大的βN就能保证s1＜0，即输出电压无超调；S2，变换器的工作模态分四种状态，在切换效率最高且无输出超调量的前提下，得到临界切换系数βmin，根据计算得到的临界切换系数βmin，执行S3；所述S2包括：三电平DC‑DC buck变换器的四种状态为，状态1：g2，g4导通，g1，g3关断，vlev＝0；状态2：g1，g4导通，g2，g3关断，vlev＝Vin‑vcf，飞跨电容充电；状态3：g2，g3导通，g1，g4关断，vlev＝vcf，飞跨电容放电；状态4：g1，g3导通，g2，g4关断，vlev＝Vin；S3，建立二阶滑模控制方法的有限状态机控制器，将计算得到的临界切换系数βmin代入有限状态机控制器，调节三电平DC‑DC buck变换器的输出电压，使得，其输出电压跟踪参考值。