一种两相同步BUCK变换器的稳压控制方法及系统

本发明涉及一种两相同步buck变换器的稳压控制方法及系统，属于开关电源。

背景技术：

1、buck变换器作为一种重要的开关模式直流变换器，它被广泛应用在直流微电网、储能系统、光伏发电及航空航天等领域。两相同步buck变换器由于功率可被两相分担，从而减小了储能元件和开关管的尺寸。同时，两相交错运行有助于减小电压和电流纹波。两相同步buck变换器模型具有系统参数不确定和负载不确定的特点。特别在铁磁磁芯存在较大磁通密度的情况下，滤波电感的磁特性呈现非线性特征。同时，输入电压时变、开关管切换过程、负载功率变化、传感器测量误差都会对控制系统产生未知扰动。这些干扰将导致输出电压产生纹波，从而导致用电设备产生不期望的谐波、浪涌电流或电压。因此在复杂运行条件下提高两相同步buck变换器抗干扰能力具有重要意义。

2、针对上述问题，现有技术将多种控制算法应用到buck变换器，例如滑模控制、pid控制、智能控制、自适应控制、反演控制、预测控制、自抗扰控制。在众多非线性控制算法中，滑模控制由于其强鲁棒性而得到广泛应用。为了在复杂运行条件下，提高buck变换器抗干扰能力。基于扩张状态观测器的滑模控制方案、复合鲁棒离散准滑模控制方案、死区终端滑模控制被相继提出。这些方案采用pwm技术建立buck变换器小信号平均模型。然而，基于小信号技术的建模方法只能保证电压和电流达到参考值附近，难以描述纹波特性。利用滑模变量在滑模面附近往复运动而产生的切换特性，滑模控制可直接控制开关管状态，因此它可用在buck变换器大信号模型。基于滑模控制的切换特性，一些方案进一步构建有限时间二阶滑模控制器和终端滑模控制器减小收敛时间；另一些方案利用有限时间观测器估计输出电压的时间导数，进而取消电流传感器。为了在瞬态电流受限情况下提高控制器的响应速度，一种基于切换特性的次优滑模控制被提出。该方案能够使电流尽可能处于设定范围的最大值，从而提高电压响应速度。上述利用滑模控制直接调节开关管状态的方案被成功用于单相buck变换器。然而，由于多个开关管开关状态配合问题和每相buck电路的均流问题，这些方案用于多相buck变换器的控制效果还有待检验。

3、均流是多相控制器设计的一个重要问题。一种称为多相滑模控制的方案被提出，可用于实现多相电流平均和降低电流纹波。在该方案中，每相电流控制器采用相同参考电流，并通过电流控制器的作用使每相电流趋向参考电流。另外，参考电流可以通过电压控制器获得，从而构成电压和电流串联架构。但是，在串联架构中电流跟踪误差将对电压调节产生扰动，从而影响电压瞬时性能。迟滞滑模控制方案的每相电流环以各相电流平均值为参考值，然后由电压控制器和电流控制器之和决定该相开关管的状态。虽然可以实现均流，但这种控制架构将导致电压控制器和电流控制器出现耦合作用。零平均动态滑模控制的第一相buck变换器被视为主变换器，其余变换器为从变换器。从变换器以主变换器的电流为参考值，并采用积分控制补偿电流偏差。但是这种控制架构需采用定频pwm技术控制开关管状态，因此电压和电流纹波将受输入电压影响。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种两相同步buck变换器的稳压控制方法及系统，利用相互独立的电压控制器和均流控制器，直接控制两相同步buck变换器开关管状态，在系统参数不确定、负载变化情况下具有良好的响应速度和扰动抑制能力。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种两相同步buck变换器的稳压控制方法，所述方法包括：

4、采用大信号建模方法将两相同步buck变换器模型分为二阶电压模型和一阶均流模型；

5、针对二阶电压模型，设计三模态滑模控制器，将参考电压以及两相同步buck变换器的输入电压、输出电压和输出电压时间导数作为三模态滑模控制器的输入，三模态滑模控制器的输出为0、1或2，分别对应两相同步buck变换器的三种开关模态，即输出为0时，表示两相高侧开关管都关闭；输出为1时，表示其中一相高侧开关管打开，另一相高侧开关管关闭；输出为2时，表示两相高侧开关管都打开；各相高侧开关管和低侧开关管开关状态相反；

6、针对一阶均流模型，设计均流控制器，将两相同步buck变换器的第一相电感电流与第二相电感电流之差作为均流控制器的输入，根据三模态滑模控制器和均流控制器的输出信号获得两相开关管的开关状态，实现两相同步buck变换器开关管控制。

7、作为本发明方法的一种优选方案，所述三模态滑模控制器设计为：

8、

9、其中，u1(t)为三模态滑模控制器的输出信号，s(t)为滑模变量，e(t)为输出电压偏差，e(t)＝ur(t)-uo(t)，ur(t)为电压参考值，uo(t)为输出电压，ui(t)为输入电压，k1为正可调系数，δ为正可调系数，h1和h2为迟滞比较器上限，函数为迟滞比较器，函数φ(x)为：

10、

11、其中，

12、作为本发明方法的一种优选方案，所述h1和h2的选择应平衡开关损耗和纹波大小。

13、作为本发明方法的一种优选方案，所述均流控制器设计为：

14、

15、其中，u2(t)为均流控制器的输出信号，iδ＝i1-i2，i1和i2分别为第一相和第二相电感电流，函数为迟滞比较器，h3为迟滞比较器上限，u1(t)为三模态滑模控制器的输出信号。

16、作为本发明方法的一种优选方案，所述h3的选择应平衡开关损耗和纹波大小。

17、作为本发明方法的一种优选方案，所述根据三模态滑模控制器和均流控制器的输出信号获得两相开关管的开关状态，分为四种情况：

18、1)当u1(t)＝0时，λ1(t)＝1且λ2(t)＝0；

19、2)当u1(t)＝1且u2(t)＝0时，λ1(t)＝0且λ2(t)＝1；

20、3)当u1(t)＝0且u2(t)＝0时，λ1(t)＝1且λ2(t)＝0；

21、4)当u1(t)＝2时，λ1(t)＝1且λ2(t)＝1；

22、其中，u1(t)为三模态滑模控制器的输出信号，u2(t)为均流控制器的输出信号，λ1(t)、λ2(t)分别为第一相高侧开关管开关状态、第二相高侧开关管开关状态，λ2(t)＝1和λ2(t)＝1表示第一相和第二相高侧开关管打开，λ1(t)＝0和λ2(t)＝0表示第一相和第二相高侧开关管关闭。

23、一种基于所述的两相同步buck变换器的稳压控制方法的稳压控制系统，所述系统包括三模态滑模控制器、微分电路、均流控制器和逻辑判断电路；两相同步buck变换器的输出电压经微分电路得到输出电压时间导数，将输出电压时间导数以及两相同步buck变换器的输出电压和输入电压均作为三模态滑模控制器的输入，三模态滑模控制器的输入端还连接参考电压，三模态滑模控制器的输出端连接逻辑判断电路的第一输入端；将两相同步buck变换器的第一相电感电流与第二相电感电流之差作为均流控制器的输入，均流控制器的输出端连接逻辑判断电路的第二输入端；逻辑判断电路根据三模态滑模控制器和均流控制器输出的信号获得两相开关管的开关状态，从而控制两相同步buck变换器开关管的打开或关闭。

24、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

25、1、本发明提供稳压控制策略的控制架构与传统电压电流串联控制架构不同，本发明电压控制器和均流控制器相互独立，降低了电压和电流控制器的耦合影响。在系统参数不确定、负载变化情况下具有良好的响应速度和扰动抑制能力。

26、2、本发明电压控制器和均流控制器的表达式中不含滤波电容、滤波电感和负载电阻参数，因此不依赖准确系统参数。

27、3、本发明提供的稳压控制策略，不必借助脉宽调制(pulse width modulation,pwm)技术控制开关管状态，而是通过三模态滑模控制器和均流控制器直接控制两相同步buck变换器开关管状态，具有更快的响应速度。