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
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模 控制及其有限状态机实现方法。
【背景技术】
[0002] 三电平DC-DCbuck变换器相对于传统buck变换器有诸多优势：开关管电压应力 减半，增加电感电流脉动频率为开关频率的两倍，减小电感尺寸、提高能量效率。但是三电 平DC-DCbuck变换器开关数目多，控制复杂，飞跨电容电压的控制更是控制的难点。虽然现 有技术中利用二阶滑模控制方法对传统buck变换器进行控制，但是对三电平DC-DCbuck 变换器而言，能够实现二阶滑模控制方法调节输出电压的同时平衡飞跨电容电压的技术尚 属空白，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种三电平 DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制及其有限状态机实现方法。
[0004] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种三电平DC-DCbuck变换器的二阶 滑模控制及其有限状态机实现方法，包括如下步骤：
[0005]S1，建立三电平DC-DCbuck变换器数学模型，将所述DC-DCbuck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；
[0006]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0min，根据计算得到的临界切换系数0min，执行S3;
[0007]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0 代入有限状态机控制器，调节三电平DC-DCbuck变换器的输出电压跟踪参考值。
[0008] 在本发明的一种优选实施方式中，所述S1包括：
[0009] DC-DCbuck变换器的动态方程如下
【主权项】
1. 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； 52, 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emin，根据计算得到的临界切换系数e min，执行S3; 53, 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。
2. 根据权利要求1所述的三电平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，所述Sl包括： DC-DC buck变换器的动态方程如下
其中 Vlev是 u PU2, u3, U4 的函数，即 Vlev= f(u η u2, u3, U4).当占空比 D <0· 5, Vlev 的三 种电压为〇, Vin-Vc;jP V ，其中V。为变换器输出电压，U是变换器电感电流。
3. 根据权利要求1所述的三电平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，所述S2包括： 三电平DC-DC buck变换器的四种状态为状态I :g2, g4导通，g i，g3关断，V lev= 0 ;状态 2 :gp g4导通，g 2, g3关断，V lev= V in-vrf，飞跨电容充电；状态3 :g2, g3导通，g p g4关断，V lev =vrf，飞跨电容放电；状态4 %，g3导通，g2, g4关断，v lev= Vin，开关管gp g2, g3, g4对应的 控制信号分别为U1, U2，U3，U4。
4. 根据权利要求3所述的三电平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，所述Sl包括： 将输出电压和参考电压的误差定义为滑模量s = 参考电压是一个常量，则S的 一阶导数为
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 fc + i = 0作为滑模面，而二阶滑模控制方法选择0 = 〇，〗 = 〇!作为滑模面；如果能够在不检 测i情况下能够迫使s和i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s-i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，Sni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S m，Sm这两个变 量，故这两个变量要实时更新；如图所示，S起始时为负值，进入状态2 (状态3)，相轨迹顺时 针向上运动，当条件S > 0Nsm(O < βΝ< 1)满足，进入状态1，且由O < β 1知切换点 (Αλ,Λμ)比起始点（sm，〇)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， 当轨迹恰好穿越水平轴时，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< - S满足时，再切换到状态3 (状态2);条件s-s Μ< - δ，能够保证在 不知道i的前提下，仍能得到合适的切换时刻，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（〇, <-]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
穿越过切换点OV,,,，.U后，轨迹在（SpO)穿越水平轴，切换系数^的最小值β _保 证轨迹恰好穿过原点；这样，比βΜη大的β Ν就能保证s i<〇,即输出电压无超调。
5.根据权利要求3所述的三电平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，所述S2包括： 通过计算公式
和计算 公式.
左侧相平面中状态2切换至状态1的切换系数 ^ Nmin21 表示如下
根据计算公式 iL,,,+[卜(G )]2=[& - (1V - )]2 和计算公式 + 卜-(-L )]2 = [& - (-fJ， 左侧相平面中状态3切换至状态1的切换系数自^^表示如下
同样的分析也适用于相轨迹起始于.V-.;左半平面的情况，根据计算公式
右侧相平面中状态1切换至状态2的切换系数β ^^表示如下
侧相平面中状态1切换至状态3的切换系数β ^^表示如下
其中切换系数1^为横坐标左半部分的切换系数，切换系数β ρ为横坐标右半部分的切 换系数，βΜη21为横坐标左半部分从状态2到状态1的切换系数，βΜη31为横坐标左半部 分从状态3到状态1的切换系数，β Μη12为横坐标右半部分从状态1到状态2的切换系数， 0 Pminl3为横坐标右半部分从状态1到状态3的切换系数； 三电平DC-DC buck变换器的控制目的有两个：调节输出电压跟踪参考值VMf和平衡飞 跨电容电压在输入电压值的一半；定义Sci= V M-VinZ^平衡飞跨电容电压的策略需要srf。
6.根据权利要求3所述的三电平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，所述S3包括： 二阶滑模控制方法的有限状态机控制器中，磁滞参数S用于限制稳态时的切换频率， 参数ε决定用于限制Vrf的边界的大小，参数β _和β Pmin根据
1动态更新以便得到无超调的启动和快速的动态响应， 有限状态机控制器结构由初始态、状态1+、状态1-、状态2+、状态2_、状态3+、状态 3-共7个状态，状态后面的符号" + 分别表示滑模量s>0和s〈0情况，状态机控制器可 分为"充电区域"和"放电区域"，当复合状态"状态23-"被激活后，先进入状态2_，之后根 据切换条件srf> ε，s rf< - ε决定是否进行状态2-和状态3-之间的切换，当复合状态 "状态32_"被激活后，先进入状态3_，之后根据切换条件s rf> ε，s rf< - ε决定是否进行 状态3-和状态2-之间的切换， 状态机控制器起始于初始态，因为起始时vrf< V in/2,只有"充电区域"被激活，"充电区 域"内，状态2和状态1间切换迫使相平面轨迹向原点移动并迅速进入原点周围的稳态 轨迹，Vlev在V in-VcJP O间切换来合成期望的输出电压，在此过程中状态2不断给飞跨电容 充电，直到vrf> Vin/2即Sc;f> 0，"放电区域"才被激活，"放电区域"内，状态3和状态1间 切换能维持与"充电区域"几乎相同的稳定轨迹，即表现出与"充电区域"几乎一致的输出电 压特性，Vlev在V &和O间切换来合成期望的电压，在此过程中状态3给飞跨电容放电，切换 条件srf> O和s &< 0,用于判断当先飞跨电容需要放电还是需要充电，从而选择进入"放 电区域"还是"充电区域"，从而达到平衡飞跨电容电压的目的，条件&<-￡， 8。{>￡贝1」 是在负载电流较大时将^^更精确地限制在V in/2± ε的边界内，以便获得优秀的输出电压 波形，有限状态机控制器结构保证了无论在"充电区域"、"放电区域"还是"充电区域" "放电 区域"交替的情形，变换器都拥有一致的优秀输出电压波形，这样，有限状态机控制器既能 利用二阶滑模控制方法无超调、快速地调节输出电压跟踪参考值，又能按照飞跨电容充放 电需要来选择"充电区域"还是"放电区域"从而实现飞跨电容电压的平衡，条件s rf< - ε， Scf) ε只有在负载电流足够大时才有可能满足，状态23-内部可能只有状态2-被激活也 可能是状态2-和状态3-均被激活即两个状态交替切换，这取决于条件S ci< - ε，s rf> ε 是否被满足，而条件SciC-e，Sc;f> ε与负载电流大小有关系，状态23-也是如此，考虑到 系统参数不确定性和负载扰动，某个时刻Vrf可能会偏离期望值V in/2很远，切换条件Sc;f> 〇和stf< 0能够使控制器一直处于"放电区域"或"充电区域"即迫使飞跨电容持续放电或 持续充电直到Vcf再次进入边界内部，这是在不破坏输出电压波形的前提下让V &趋近其期 望值最快的方法，在复合状态"状态23-"和"状态32-"期间，状态2-与状态3-的切换只 是反转飞跨电容的充放电状态，并不改变输出电压等级v lev，这样，有限状态机控制器就能 够平衡飞跨电容电压的同时调节输出电压跟踪参考值，这样，控制器同时实现了两个控制 目标。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H02M3-156
【公开号】CN104868727
【申请号】CN201510287743
【发明人】凌睿, 舒志辉, 朱哲人, 王理智, 严小东, 黄雪莉, 余大侠, 刘辉
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月29日