[发明专利]用于三电平DC‑DC变换器的双闭环控制系统的输出电压和飞跨电容电压的解耦控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种三电平DC-DC buck变换器的双闭环控制系统的输出电压和飞跨电容电压的解耦控制方法。

背景技术

在高输入/输出电压的功率变换场合，选取具有合适耐压值的功率开关器件往往比较困难。多电平变换器利用飞跨电容使得输入电压在串联的各开关管之间均分，不但能降低开关管电压应力和减小输出滤波器体积，还能提高动态特性，所以在输入/输出电压较高的中大功率变换场合具有广泛的应用前景。但是，多电平变换器的输出电压与各飞跨电容电压之间存在耦合的关系，是一个强耦合的非线性系统，所以需要将其解耦成多个单输入输出系统，以对飞跨电容电压和输出电压进行独立的控制。虽然现有技术中已经有一些有效的控制方法，但是利用滑模技术控制输出电压同时利用自整定模糊PID技术控制飞跨电容电压的解耦以及平衡的方法尚属空白，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

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用于三电平DC-DC buck变换器的双闭环控制系统的输出电压和飞跨电容电压的解耦控制方法，

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于等效控制理论的定频滑模控制器对输出电压进行控制，并结合传统PID控制与模糊控制的优点，设计出自整定模糊PID控制器对飞跨电容电压进行控制。

一种用于三电平DC-DC buck变换器的双闭环控制系统的输出电压和飞跨电容电压的解耦控制方法，包括如下步骤：

S1，建立滑膜面和开关控制器的滑模函数，设计滑模控制器，对三电平 DC-DC buck变换器的输出电压进行控制；

S2，设计模糊PID控制器，将控制器的输出偏差以及偏差的变化量同时输入到模糊控制器中，分别对PID控制器的三个参数K_p、K_i、K_d进行调节，经过处理后实现对飞跨电容电压的解耦控制。

所述的用于三电平DC-DC buck变换器的双闭环控制系统的输出电压和飞跨电容电压的解耦控制方法，优选的，所述S1包括：

建立滑模控制器中的切换函数s＝s(x)和切换面s(x)＝0以及变结构控制函数

其中u⁺(x)≠u^-(x)。

开关变换器的状态空间方程为切换函数默认选择

采用滞环控制的方法来限制开关切换频率，定义控制规律为：

根据切换函数切换的滞环宽度2δ和滑模面等效导数根据下式估算出时间t₁和t₂：

以系统闭环输出电压偏差x₁及其微分x₂和积分x₃为状态变量，有：

滑模控制的切换函数为：

s(x)＝k₁x₁+k₂x₂+k₃x₃

其中k₁＞0，k₂＞0，k₃＞0。

设计基于等效控制理论的定频滑模控制器，滑模控制器的输出占空比D。

所述的用于三电平DC-DC buck变换器的双闭环控制系统的输出电压和飞跨电容电压的解耦控制方法，优选的，所述S2包括：

综合传统的PID控制与模糊控制的优点，设计出自整定模糊PID控制器对三电平DC-DC buck变换器的飞跨电容电压进行控制。

模糊控制器由输入量模糊化接口、知识库(包括数据库和规则库)、模糊推理机和输出量解模糊接口四部分组成。模糊控制器能充分利用有经验的人员对非线性的被控对象进行实时调节，充分发挥PID控制器的良好控制作用，使整个控制系统达到最佳状态。

本系统中的PID控制器有5个输入量：e₂(k)、e_c(k)(即e₂(k)-e₂(k-1))、ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d，而输出量即为控制量ΔD(k)，其控制算法为：