[发明专利]基于准最优滑模控制的Buck变换器控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于DC/DC变换器控制技术领域，具体涉及基于准最优滑模控制的Buck变换器控制系统及方法。

背景技术

现有的针对改善开关DC/DC变换器动态响应及输出特性的控制方法取得了巨大的进步。传统的脉宽调制(PWM)法通过检测输出变量或其他系统参量而调节周期占空比值实现变换器的控制，这种方法通常基于小信号模型或者频域分析法而实现控制器设计。PWM控制方法的优点在于变换器工作在固定开关频率，系统可以实现稳态小信号平均特性的控制，但不足在于其瞬态特性表现为叠加在稳态平衡点上的参量波动，很难直接体现出对瞬态特性的控制。而且对于系统的状态转移难以表现出良好的快速响应特性。因此对于改善系统的动态特性的控制，PWM法并不合适。

目前改善DC/DC变换器的动态特性的控制方法主要是基于大信号模型的分析方法，主要有最优时间控制、状态轨迹控制、滑模变结构控制等。滑模控制方法在DC/DC变换器的动态和稳态特性优化中被广泛的应用，传统的滑模控制法(一阶滑模控制法)通过定义开关切换函数s＝0而将状态平面分为开通和关断区，判断状态点在状态平面的位置而实现滑模控制，系统状态点运动分为趋向滑模面的趋近运动和状态点在滑模面上向稳态点趋近的滑动模态运动。而高阶滑模控制，其轨迹直接在滑模面上并做趋向平衡点的滑模运动。

将二阶滑模控制方法应用到同步Buck变换器中，设计了简单的数字状态机构，对于系统启动过程和负载变换的表现出快速响应特性。对于DC/DC变换器系统的快速特性关键在于滑模面的设计，对于一阶或者高阶滑模都是如此。目前的滑模控制方法虽能快速响应但仍有待改进。

发明内容

针对以上问题的不足，本发明基于准最优滑模控制的Buck变换器控制系统及方法，将最优时间控制分析引入到滑模面的设计中，通过准最优滑模控制以实现Buck变换器的快速响应。

一种基于准最优滑模控制的Buck变换器控制系统，Buck变换器中的开关元件由滑模控制器进行控制，所述滑模控制器设置有电源输入端、电感电流采集端、输出电压采集端、输出电流采集端、稳态参考电压设定端以及开关驱动信号输出端；

该系统首先根据所述电源输入端获得的输入电压V_in以及Buck变换器的电路元件参数建立状态空间模型，从而得到稳态参考点的稳态电压值；

所述滑模控制器根据所述电感电流采集端获得的电感电流i_L、输出电压采集端获得的输出电压u_o、输出电流采集端获得的输出电流i_o、稳态参考电压设定端设定的稳态电压u_ref，并通过预设的准最优滑模切换函数确定开关驱动信号，并控制Buck变换器中开关元件的通断。

优选地，在建立状态空间模型时，将Buck变换器的工作状态分为开关管开通模态、电感电流非零的关断模态以及电感电流为零的关断模态三种状态，并根据状态空间模型得到最优时间开关状态切换点x_i和稳态切换点x^*_off-on和x*_on-off，其中x_i为准最优时间的开关切换点，x^*_off-on为稳态时开关由关断到开通状态的开关切换点，x*_on-off为稳态时开关由开通到关断状态的开关切换点。

优选地，所述状态空间模型的具体建立如下：

选定Buck变换器中开关管为MOSFET管，设其静态漏源极通态阻抗为R_ON，令x＝[i_Lu_O]^T和u＝[E_dc U_D]^T分别为系统的状态向量和输入向量，系统的状态空间模型表示为：

式中：