[发明专利]一种滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种DC-DC(直流-直流)开关变换器的控制方法及系统，特别涉及一种基于滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字控制方法及系统。

背景技术

DC-DC开关变换器除了实现基本的稳压输出功能外，为了提高系统的可靠性，还会对输出电流和输出功率的大小进行限制，其输出负载特性曲线如图1所示。其中恒压输出曲线11是由恒压环控制实现，其受控对象为当前输出电压，参考对象为限定的输出电压值；限功率输出曲线12是由限功率环控制实现，其受控对象为当前输出电压和当前输出电流的积，即输出功率，参考对象为限定的输出功率值；限流输出曲线13是由限流环控制实现，其受控对象是当前输出电流，参考对象是限定的输出电流值。

随着负载的渐变或突变，环路和环路之间有时存在切换。假设DC-DC开关变换器工作在恒压状态，随着负载的渐变或突变，当输出电流大于限定的输出电流时，其控制电路从恒压环切换到限流环，当输出功率大于限定的输出功率时，其控制电路从恒压环切换到限功率环。假设DC-DC开关变换器工作在限流状态，随着负载的渐变或突变，当输出电压大于限定的输出电压时，其控制电路从限流环切换到恒压环，当输出功率大于限定的输出功率时，其控制电路从限流环切换到限功率环。假设DC-DC开关变换器工作在限功率状态，随着负载的渐变或突变，当输出电压大于限定的输出电压时，其控制电路从限功率环切换到恒压环，当输出电流大于限定的输出电流时，其控制电路从限功率环切换到限流环。

环路切换时，通常存在动态响应速度慢、切换不平滑，导致输出震荡等缺点。

滑模变结构非常适合于解决环路切换时所引发的问题。目前对DC-DC开关变换器的性能指标要求不断提高，在动态切换方面不但要求动态响应速度要快，还要求切换要平滑。而滑模变结构控制对参数变化不敏感，不受某些外部扰动的影响，能在保证稳定性的同时，快速进行响应。因此，滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法，非常适合于解决DC-DC开关变换器的控制环路切换时存在的问题。

现有的模拟电路设计方法在实现滑模变结构控制DC-DC开关变换器时设计过程复杂，且缺乏精确性。传统的基于滑模变结构控制DC-DC开关变换器的方法多采用模拟控制芯片或者模拟与数字相结合的方法，其控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂、灵活性不够。随着微处理器技术的迅猛发展，数字化技术不断提高，使用高性能高集成度的数字电路研制新一代功率变换器已经成为一种发展趋势。数字电路具有速度快、可靠性高、可移植性强的优点，而且能够通过复杂的计算实现丰富灵活的控制策略。近年来，数字化技术实际上已成为电力电子技术发展的一个重要动力。因此，相对于模拟系统而言，利用数字方法来实现基于滑模变结构控制的DC-DC开关变换器是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于滑模变结构控制的DC-DC开关变换器的数字控制方法及系统，能更好地解决环路切换时存在的动态响应速度慢、切换不平滑导致的输出震荡等问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字方法，该方法包括以下步骤：

DC-DC开关变换器的控制环路对DC-DC开关变换器采样并处理得到多个控制信号；

滑模控制环从多个控制信号中选取相应的控制信号作为控制输出；

利用滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制。

优选的，该控制环路包括恒压环、限流环、限功率环，其中，

恒压环对DC-DC开关变换器的当前输出电压进行采样处理并输出恒压环的导通占空比；

限流环对DC-DC开关变换器的当前输出电流进行采样处理并输出限流环的导通占空比；

限功率环对DC-DC开关变换器的当前输出电压、当前输出电流进行采样处理并输出限功率环的导通占空比。

优选的，滑模控制环比较多个控制信号，选取其中最小值作为控制输出。

优选的，滑模控制环比较恒压环输出的导通占空比、限流环输出的导通占空比、限功率环输出的导通占空比，选取其中最小值作为控制输出。优选的，滑模控制环的控制输出对DC-DC开关变换器进行控制的步骤具体为：

利用滑模控制环的控制输出计算DC-DC开关变换器的开关管的导通占空比；

利用开关管的导通占空比生成脉冲宽度调制PWM波，对DC-DC开关变换器进行控制。

优选的，恒压环、限流环、限功率环分别基于滑模变结构控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于滑模变结构控制DC-DC开关变换器的数字系统，该系统包括：