[发明专利]一种基于扰动观测器和二阶滑模的Buck变换器补偿控制方法

摘要

本发明公开了一种基于扰动观测器和二阶滑模的Buck变换器补偿控制方法，在外部扰动和系统不确定存在的条件下，可提高Buck变换器的鲁棒性能，属于电力电子变换器领域。主要步骤为：1，根据Buck变换器的工作原理，建立包含扰动的状态空间平均模型；2，选取合适的滑动变量，建立二阶滑模动力学方程；3，设计扰动观测器估计系统中存在的非匹配扰动；4，设计二阶滑模控制器确保输出电压能够快速稳定跟踪上参考电压。本发明的优点：一，考虑了非匹配扰动的影响，且滑动变量为电压误差，改善了Buck变换器系统鲁棒性的同时提高了电压误差的收敛性；二，引入扰动观测器使系统具有更好的抗扰动性能，在获得较好鲁棒性能的同时有效地减弱了抖振问题。

主权项

1.一种基于扰动观测器和二阶滑模的Buck变换器补偿控制方法，其特征在于，设计过程如下：1)根据Buck变换器的工作原理，分析系统扰动因素，建立包含扰动的状态空间平均模型；已知Buck变换器工作时存在两种状态，分别为功率开关管S_w导通与关断时电路的状态；当开关导通时，二极管截止，电源给负载提供能量并且给电容充电，电容电压和负载电压的值v₀最终会上升至V_in；当开关关断时，电源将不再给电路提供能量，二极管续流，与电容和电感构成放电回路；结合两种情况下Buck电路的工作原理，利用基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)，可以得到系统的状态空间平均模型如下：式中v_o为输出电压，i_L为电路电流，L为电感，C为电容，R为电路中的电阻，μ取1和0分别代表开关的导通与关断，由待设计的控制器u控制；考虑到Buck变换器在实际工作过程中会受到扰动的干扰，包括输入电压的波动、负载突变和外界干扰；为了提高控制的精确性，在系统(1)的基础上引入扰动量，建立包含匹配扰动和非匹配扰动的状态空间平均模型如下：其中d₁(t)表示非匹配扰动，d₂(t)表示匹配扰动，匹配扰动和非匹配扰动主要包含输入电压的波动、负载突变和外界干扰；2)选取合适的滑动变量，结合状态平均模型建立包含非匹配扰动的二阶滑模动力学方程；具体地，为了改善Buck变换器控制系统的鲁棒性，采用了二阶滑模控制方法；首先，为了确保Buck变换器的输出电压能够有效的跟踪上参考电压，这里选取系统的输出电压和参考电压的差值为滑动变量s₁，在控制过程中，确保滑动变量s₁趋近于零从而达到输出电压跟踪参考电压的目的；其次，为了避免滑动变量s₁的一阶导数中的扰动进入控制通道，取滑动变量s₂如式(3)；最后，根据选取的滑动变量，s₁的一阶导数可以被分为三个部分，即滑动变量s₂部分，已知项部分和非匹配集总干扰部分，从而有效地避免了扰动进入控制通道；根据包含扰动的状态空间平均模型，考虑控制输出电压快速稳定跟踪参考电压的控制目标，选取滑动变量如下：s₁＝v₀‑v_ref结合系统(2)和滑动变量(3)可以得到含有非匹配扰动项的二阶滑模动力学方程：式中为跟状态相关的非匹配项，d(t)为包含d₁(t)的非匹配集总干扰；当控制器控制Buck变换器的输出电压跟踪上参考电压后，即s₁＝0时，f(s₁)＝0，系统中非匹配扰动仍然存在，这说明涉及到的系统一直存在非匹配扰动；3)针对系统中存在的非匹配扰动，设计非线性扰动观测器并选取合适的观测器参数，完成对非匹配扰动的准确估计；4)设计二阶滑模控制器，保证滑动变量能够快速收敛，即保证Buck变换器的输出电压能够快速稳定跟踪上参考电压。