一种电压调节的非线性控制方法与流程

1.本发明涉及一种电压控制领域，特别是涉及一种电压调节的非线性控制方法。


背景技术：

2.目前dc/dc电路广泛应用于手机、数码相机、媒体播放器等各种家用及消费类电子产品中，在dc/dc电路中会普遍的涉及到电压控制问题。以buck电路为例，现有的电路方案中使用类似pwm或者pid的电压控制方法，会使输出电压在首次上升的过程中产生超调，并且严重依赖电感l和电容c这些电路中的参数，在建立数学模型的时候，输出电压的一阶导数中存在电感上的电流i
l
，这就避免不了要检测系统的电流，而电流的检测往往是不精确的并且成本巨大；所以现有技术中往往存在电压超调以及需要检测电流大小等原因，而导致控制不精确、不快速或是成本过大等问题，在对电压精度或是调节速度又或者是成本控制有严格要求的精密仪器中往往不能满足需要。因此如何提出一种成本低，速度快，控制精度高的电压调节方法已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电压调节的非线性控制方法，用于解决现有技术中电压控制过程中成本高，速度慢，精度低的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电压调节的非线性控制方法
5.至少包括以下步骤：
6.当初始的变量小于0时，将电路状态切换至第一状态，并将最小变量赋值为初始的变量值，然后依次循环执行步骤s1)、s2)、s3)、s4)，在循环过程中第一预设值和第二预设值逐渐增大；直至电路处于第二状态且所述变量大于等于0，依次循环执行步骤s2)、s5)、s4)、s1)，在循环过程中所述第一预设值及所述第二预设值逐渐增大，所述第三预设值逐渐减小，并最终稳定在固定值；
7.当初始的所述变量大于等于0时，将电路状态切换至第二状态，并将最大变量赋值为初始的变量值，然后依次循环执行步骤s5)、s4)、s6)、s2)，在循环过程中所述第三预设值和第四预设值逐渐减小；直至电路处于第一状态且所述变量小于0，依次循环执行步骤s4)、s1)、s2)、s5)；在循环过程中所述第一预设值逐渐增大，所述第三预设值及所述第四预设值逐渐减小，并最终稳定在固定值；
8.s1)比较所述变量与第一预设值，若所述变量大于等于第一预设值，则将电路状态切换至第二状态；
9.s2)当所述变量的一阶导数为0时，将最大变量赋值为当前的变量值；
10.s3)比较所述变量与第二预设值，若所述变量小于等于第二预设值则将电路状态切换至第一状态；
11.s4)当所述变量的一阶导数为0时，将最小变量赋值为当前的变量值，
12.s5)比较所述变量与第三预设值，若所述变量小于等于所述第三预设值则将电路状态切换至第一状态；
13.s6)比较所述变量与第四预设值，若所述变量大于等于所述第四预设值，则将电路状态切换至第二状态；
14.其中，所述变量为当前输出电压与预设电压的差值；当电路处于所述第一状态时，电路中的电感电流增加，电感处于储能状态；当电路处于所述第二状态时，电路中的电感电流减小，电感处于释能状态。
15.可选地，所述第一预设值是与切换系数和最小变量有关的函数。
16.可选地，所述第一预设值s1＝βsm，其中，β为切换系数，sm为最小变量。
17.可选地，所述第三预设值是与切换系数和最大变量有关的函数。
18.可选地，所述第三预设值s3＝βsm，其中，β为切换系数，sm为最大变量。
19.可选地，所述切换系数与电路的电感、电容及电阻的参数无关。
20.可选地，当变量s＜0时，切换系数当变量s≥0时，切换系数其中v
ref
为预设电压，sm为最大变量，sm为最小变量，vg为输入电源的电压。
21.可选地，所述第二预设值是与最大变量和迟滞参数有关的函数。
22.可选地，所述第二预设值s2＝s
m-δ，其中，δ为迟滞参数，sm为最大变量。
23.可选地，所述第四预设值是与最小变量和迟滞参数有关的函数。
24.可选地，所述第四预设值s4＝sm+δ，其中，δ为迟滞参数，sm为最小变量。
25.可选地，所述迟滞参数与电路的电感、电容及电阻的参数无关。
26.本实施例还公开一种buck电路，基于上面所述的电压调节的非线性控制方法来实现对输出电压的调节，所述buck电路包括：输入电源，第一晶体管，第二晶体管，电感，电容和电阻；
27.第一晶体管和所述第二晶体管串联后并联于输入电源的两端；
28.所述电感与所述电容串联后并联于所述第二晶体管的两端；
29.所述电阻与所述电容并联，所述电阻两端的电压作为输出电压输出；
30.所述第一晶体管和所述第二晶体管的状态不同，当所述第一晶体管导通，所述第二晶体管截止时，对应电路的状态为第一状态；当所述第一晶体管截止，所述第二晶体管导通时，对应电路的状态为第二状态。
31.如上所述，本发明的一种电压调节的非线性控制方法，具有以下有益效果：
32.1输出电压可以实现无超调控制；
33.2不用检测系统的电流，减少了成本很大的电流检测环节；
34.3对电路参数和负载扰动具有很强的鲁棒性。
附图说明
35.图1显示为本发明的电路状态转换示意图；
36.图2显示为本发明的buck电路示意图；
37.图3显示为图2的等效电路图的示意图；
38.图4显示为变量s＜0时，状态切换示意图；
39.图5显示为变量s≥0时，状态切换示意图；
40.图6显示为本发明的实施例一对应的电压平衡过程的一种相轨迹图示意图；
41.图7显示为本发明的实施例二对应的电压平衡过程的另一种相轨迹图示意图；
42.图8显示为本发明的电压稳态时的极限环的示意图；
43.图9显示为本发明的电压平衡过程的相轨迹仿真图；
44.图10显示为本发明的电压平衡过程的电压幅值仿真图。
45.元件标号说明
46.s11～s16；s21～s26
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
47.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
48.请参阅图1～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
49.实施例一
50.本实施例公开一种基于buck电路的电压调节的非线性控制方法，本实施例针对初始的变量s(0)＜0进行说明，当初始的变量s(0)＜0时，电压调节的非线性控制方法包括以下步骤：
51.s11：判断初始的变量s(0)是否小于0，当初始的变量s(0)＜0时，将电路状态切换至第一状态，同时将最小变量sm赋值为初始的变量值s(0)；其中，所述变量s为与输出电压v0和预设电压v
ref
有关的一阶函数
52.s12：比较所述变量s与第一预设值s1，所述第一预设值是与切换系数β和最小变量sm有关的函数s1＝βsm；当s≥s1时，将电路状态切换至第二状态；
53.s13：当所述变量s的一阶导数时，将当前的最大变量sm赋值为当前的变量值；
54.s14：比较所述变量s与第二预设值s2，所述第二预设值s2是与预设电压，最大变量sm和迟滞参数δ有关的函数s2＝s
m-δ；当所述变量s≤s2时，将电路状态切换至第一状态；
55.s15：当所述变量s的一阶导数时，将当前的最小变量sm赋值为当前的变量值；
56.s16：比较所述变量s与第三预设值s3，所述第三预设值s3是与切换系数β和最大变量sm有关的函数s3＝βsm；当变量s≤s3时，将电路状态切换至第一状态。
57.本实施例还公开一种buck电路，所述buck电路通过上述的电压调节的非线性控制方法来实现对输出电压的调节，如图2所示，所述buck电路包括：输入电源vg，第一晶体管
g1，第二晶体管g2，电感l，电容c和电阻r；
58.所述第一晶体管g1和第二晶体管g2的状态不同，当第一晶体管g1导通时，第二晶体管g2截止；当第一晶体管g1截止时，第二晶体管g2导通；
59.第一晶体管g1和所述第二晶体管g2串联后并联于输入电源的两端；
60.所述电感l与所述电容c串联后并联于所述第二晶体管的两端；
61.所述电阻r与所述电容c并联，电阻r两端的电压作为输出电压v0输出。
62.具体地，电路的第一状态对应为所述第一晶体管g1导通，所述第二晶体管g2截止，电路中的电感l电流i
l
增加，电感l处于储能状态；电路的第二状态对应为第一晶体管g1截止，第二晶体管g2导通；电路状态的切换通过切换系统控制第一晶体管g1和第二晶体管g2的状态，电路中的电感l电流i
l
减小，电感l处于释能状态。
63.作为示例，如图2所示，所述第一晶体管g1和第二晶体管g2均为mos管，需要说明的是，所述第二晶体管g2可以为mos管也可以为二极管或其他类型，本实施例中不做限定，任意能够满足第一晶体管g1和所述第二晶体管g2导通状态不同的晶体管均适用于该发明。
64.具体地，所述切换系数β和迟滞参数δ与buck电路的电感、电容及电阻参数无关。当变量s＜0时，最优切换系数当变量s≥0时，最优切换系数其中v
ref
为预设电压，sm为最小变量，sm为最大变量，vg为输入电源的电压。
65.需要说明的是，切换系数β包括但不限于本实施例所列举的最优切换系数β
nmin
和β
pmin
，任意与buck电路参数无关的最优切换系数均适用于该发明，即保证了所述切换系数β对buck电路参数变化的鲁棒性。
66.下面对最优切换系数β
nmin
的推导进行说明:
67.根据图2和图2的等效电路图3建立数学模型：
[0068][0069]
其中u取值为0和1分别对应图3中开关的两种状态，当u＝0时，对应第二晶体管导通，第一晶体管截止；当u＝1时，对应第一晶体管导通，第二晶体管截止；
[0070]
因为，
[0071]
s＝v
0-v
ref
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0072]
所以，
[0073][0074]
从而，
[0075][0076]
由式(2)(3)(4)得到：
[0077][0078]
无阻尼时，r
→
∞；式(5)可以转化为：
[0079][0080]
当u＝1时，其中代表理想状态下的
[0081]
由式(6)可得：
[0082][0083]
由图4可知：
[0084][0085]
式(8)可以转化为：
[0086][0087]
将点带入式(9)可得：
[0088][0089]
通过后，
[0090][0091]
将点(-s1，0)带入式(11)后，可得：
[0092][0093]
由于点在图4所示的两个圆的交汇处，由式(9)(11)(12)可得：
[0094]
(sm+v
ref
)2＝(βsm+v
ref
)2+[s
m-(v
g-v
ref
)]
2-[βs
m-(v
g-v
ref
)]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0095]
将sm＝s1＝0带入式(13)可得：
[0096][0097]
同理，根据图2，图3和图5，当变量s≥0时，可得：
[0098][0099]
需要说明的是，所述第一预设值s1,所述第二预设值s2，所述第三预设值s3、切换系数β包括但不限于本实施例所列举，任意不与电路参数相关且能实现对输出电压的无超调控制的参数均适用于该发明。
[0100]
在图1和图6和图7中，所述变量s＜0且电路处于第一状态标记为状态a
on—
；所述变量s＜0且电路处于第二状态标记为状态a
off—
；所述变量s≥0且电路处于第一状态标记为状态a
on+
；所述变量s≥0且电路处于第二状态标记为状态a
off+
。
[0101]
下面结合图1和图6对图2所示的buck电路的输出电压的非线性控制方法进行说明，当初始的变量s(0)＜0时，最小变量sm＝s(0)，此时为状态a
on—
(对应步骤s11)；变量s逐渐增大；当变量s≥s1时，切换为状态a
off—
(对应步骤s12)，第一次由状态a
on—
切换为状态a
off—
的时刻，对应的变量s的一阶导数为电压调节过程中的最大值随着变量s的增大，变量s的一阶导数逐渐减小；当时，对应图6中的与横坐标轴交点处，将最大变量sm赋值为当前的变量s值，即最大变量sm＝s(对应步骤s13)；变量s逐渐减小，变量s的一阶导数逐渐减小；当变量s≤s2时，切换为状态a
on—
(对应步骤s14)；变量s逐渐减小，变量s的一阶导数逐渐增大；当变量s的一阶导数时，对应图6中的与横坐标轴交点处，将最小变量sm赋值为当前的变量s的值，即sm＝s(对应步骤s15)；如此进行a
on—
→aoff—
→aon—
的循环(对应s12
→
s13
→
s14
→
s15
→
s12的循环)，在此循环的过程中，所述第一预设值s1和所述第二预设值s2逐渐增大；直到处于状态a
off—
，变量s≥0时，进入状态a
off+
；所述变量s逐渐增大，变量s的一阶导数逐渐减小；当变量s的一阶导数时，将最大变量sm赋值为当前的变量s的值(对应步骤s13)；变量s逐渐减小，变量s的一阶导数逐渐减小；当变量s≤s3时，进入状态a
on+
(对应步骤s16)；变量s逐渐减小，变量s的一阶导数逐渐增大；当变量s＜0时，进入状态a
on-；变量s的一阶导数逐渐增大，当变量s的一阶导数时，对应图6中的与横坐标轴交点处，将sm赋值为当前的变量s的值(对应步骤s15)；变量s逐渐增大；当变量s≥s1，进入状态a
off—
(对应步骤s12)；随着s的增大，当变量s≥0，进入状态a
off+
；如此进行状态a
off—
→aoff+
→aon+
→aon—
→aoff—
的循环(对应s13
→
s16
→
s15
→
s12
→
s13的循环)，在此循环的过程中，所述第一预设值s1和所述第二预设值s2逐渐增大，所述第三预设值s3逐渐减小；最终进入图8所示的电压稳态时的极限环进行循环，此时所述第一预设值s1，所述第二预设值s2和所述第三预设值s3稳定在固定值。
[0102]
需要说明的是，在输出电压v0上升至快接近预设电压v
ref
的时候，控制系统进入图8所示的稳态极限环，可以通过设置迟滞参数δ来改变极限环的大小，也就是最终电压平衡
后的纹波大小，但迟滞参数δ不能设置的太小，需要根据第一晶体管g1和第二晶体管g2支持的切换频率来设置，太小会导致切换频率过快，减少第一晶体管g1和第二晶体管g2的使用寿命；如图8所示极限环中a点(对应a
off—
向a
off+
的切换点)和b点(对应a
on+
向a
on—
的切换点)相对原点对称，c点(对应a
on—
向a
off—
的切换点)和d点(对应a
off+
向a
on+
的切换点)相对原点对称。
[0103]
图9和图10分别对应预设电压v
ref
＝1.25v时，初始的变量s(0)＜0时电压调节平衡过程的相轨迹图和输出电压幅值的仿真图，从仿真图可以看出，输出电压v0可以实现无超调控制；又因为本实施例中切换系数β的表达式是与电感和电容的参数无关，这就保证了切换系统对buck电路参数变化的鲁棒性；在控制方法的切换系数β的确定过程中，在数学模型中求解了变量s的二阶导数，使得电流参数i
l
被消除，所以控制方法中没有涉及到系统的电流参数，本发明中的控制方法不用检测系统的电流，减少了成本很大的电流检测环节。
[0104]
实施例二
[0105]
本实施例以初始的变量s(0)≥0进行说明，当初始的变量s(0)≥0时，电压调节的非线性控制方法包括以下步骤：
[0106]
s21：判断初始的变量s(0)是否小于0，当初始的变量s(0)≥0时，将电路状态切换至第二状态，同时将最大变量sm赋值为初始的变量值s(0)；
[0107]
s22：比较所述变量s与第三预设值s3＝βsm；当变量s≤s3时，将电路状态切换至第一状态；
[0108]
s23：当所述变量s的一阶导数时，将当前的最小变量sm赋值为当前的变量值；
[0109]
s24：比较所述变量s与第四预设值s4＝sm+δ，所述第四预设值是与最小变量sm和迟滞参数δ有关的函数；当变量s≥s4时，将电路状态切换至第二状态；
[0110]
s25：当电所述变量s的一阶导数时，将当前的最大变量sm赋值为当前的变量值；
[0111]
s26：比较所述变量s与第一预设值s1＝βsm；当变量s≥s1时，将电路状态切换至第二状态。
[0112]
下面结合图1和图7进行说明，当初始的变量s(0)≥0时，此时sm＝s(0)，此时为状态a
off+
(对应步骤s21)；变量s逐渐减小；当变量s≤s3，进入状态a
on+
(对应步骤s22)，第一次由状态a
off+
切换为状态a
on+
的时刻，对应的变量s的一阶导数为电压调节过程中的最小值随着变量s的减小，s的一阶导数逐渐增大；当变量s的一阶导数时，对应图7中的与横坐标轴交点处，将最小变量sm赋值为当前的变量s的值(对应步骤s23)；变量s逐渐增大，s的一阶导数逐渐增大；当s≥s4时，进入状态a
off+
(对应步骤s24)；变量s逐渐增大，变量s的一阶导数逐渐减小；当变量s的一阶导数时，对应图7中的与横坐标轴交点处，将sm赋值为当前的变量s的值(对应步骤s25)；如此进行a
off+
→aon+
→aoff+
的循环(对应s22
→
s23
→
s24
→
s25
→
s22的循环)，在循环过程中所述第三预设值和第四预设值逐渐减小；直到处于状态a
on+
，且所述变量s＜0时，进入状态a
on—
；所述变量s逐渐减小，变量s的一阶导数逐渐增大；当所述变量s的一阶导数时，将最小变量sm赋值为当前的变量s的值(对应步
骤s23)；所述变量s逐渐增大，变量s的一阶导数逐渐增大；当变量s≥s1时，进入状态a
off—
(对应步骤s26)；变量s逐渐增大，变量s的一阶导数逐渐减小；当时变量s≥0时，进入状态a
off+
；s的一阶导数逐渐减小，当变量s的一阶导数时，对应图7中的与横坐标轴交点处，将sm赋值为当前的变量s的值，(对应步骤s25)；变量s逐渐减小；当变量s≤s3，进入状态a
on+
(对应步骤s22)；当所述变量s＜0，进入状态a
on—
；如此进行a
on+
→aon—
→aoff—
→aoff+
→aon+
循环(对应s23
→
s26
→
s25
→
s22
→
s23的循环)，在循环过程中所述第一预设值逐渐增大，所述第三预设值及所述第四预设值逐渐减小，最终进入图8所示的电压稳态时的极限环进行循环，此时所述第一预设值s1，所述第三预设值s3和所述第四预设值s4稳定在固定值。
[0113]
需要说明的是，所述第四预设值s4包括但不限于本实施例所列举，任意不与电路参数相关且能实现对输出电压v0的无超调控制的参数均适用于该发明。
[0114]
进一步需要说明的是，本实施例中的电压调节的非线性控制方法同样适用于实施例一中buck电路的结构，所述变量s、所述切换系数β、迟滞参数δ、所述第一预设值s1、所述第三预设值s3的说明与实施例一相同，在此不一一赘述。
[0115]
综上所述，本发明公开一种电压调节的非线性控制方法，通过本发明的非线性控制方法，输出电压可以实现无超调控制；求解切换系数β的过程中涉及到变量s的二阶导数，再往后就把电流参数消除了，最终不会用到电流参数不用检测系统的电流，减少了成本很大的电流检测环节；切换系数β的表达式都是与电感l、电容c、输出负载r这些参数无关的，这就保证了控制方法对系统变化参数和负载扰动的鲁棒性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0116]
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。