[发明专利]一种含干扰和电流约束的直流升压变换器控制方法

说明书

本发明公开了一种应用于含干扰和电流约束的直流升压变换器的复合控制方法。首先，基于直流升压变换器的标称模型，设计了一种新的电流约束控制器，同时兼顾直流升压变换器的动态性能和电流约束性能。其次，为减小输入电压摄动以及负载干扰对系统的影响，构造了干扰观测器，来实时估计输入电压干扰和负载干扰。最后，在基准的电流约束控制器的设计中引入干扰前馈补偿项，实现对于干扰的实时精确补偿，从而得到复合控制器。本发明所提出的含干扰和电流约束的直流升压变换器的复合控制方法，不仅使直流升压变换器输出电压能够准确跟踪参考电压，而且使闭环系统在动态响应、过流保护和抗干扰性能之间保持了良好的平衡。

技术领域

本发明涉及一种含干扰和电流约束的直流升压变换器控制方法，属于电力电子变换器控制的技术领域。

背景技术

随着控制理论、电力电子技术、集成电路工艺的快速发展，各种电力电子设备层出不穷，而电源是这些设备必不可少的组成部分。在各式各样的电源产品中，直流升压变换器由于具有转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点而具有广泛的适用性。直流升压变换器系统是一种典型的非线性系统，存在着难以测量的干扰和参数摄动，这些非线性以及干扰因素都直接影响着系统的控制性能。此外，在实际应用中，许多控制算法在追求快速的输出电压动态响应的过程中，并没有考虑瞬态电流过大的问题，这不仅会使系统的稳态精度变低，还会增加硬件损坏的风险。因此，迫切需要针对含干扰和电流约束的直流升压变换器系统研究相应的控制算法，使其能够在动态响应、过流保护和抗干扰三者之间保持良好的平衡。

在前面的相关工作中，针对直流升压变换器的电流保护，主要是从硬件的角度来实现。例如文献(F.F.Ma，W.Z.Chen，and J.C.Wu.A monolithic current-mode buckconverter with advanced control and protection circuits[J].IEEE Transactionson Power Electronics，2007：1836-1846.)采用将保护电路加入到变换器电路中的方式来约束电流。但是，这样会增加整个系统的成本，同时能量转换的效率也会降低。另一种方案是通过设计数字控制器来解决这个问题。由于标称控制器模型通常不考虑电流约束问题，所以一个自然的想法是减小它们的控制增益。但这在一定程度上牺牲了闭环系统的动态和稳态性能。

在之前的相关工作中，针对如何使变换器系统在瞬态电流约束下获得更好的动态和静态性能这一问题，主要有两类控制方案。

第一类是采用传统的级联控制结构，分别设计内环电流控制器和外环电压控制器。根据硬件条件，设置软极限值来限制电感电流。但是，这存在着一些不足之处。首先，电感电流的限制没有得到严格的保证。电流仍有可能突破软极限值，特别是在存在不恰当的内环控制器增益的情况下。此外，整个控制系统需要两个控制器，这导致了需要调节更多的控制器参数。从而在为了获得满意的闭环性能的情况下增加了参数整定的难度。

第二类是建立控制动作中的电流惩罚机制。通常，它是通过一些约束处理工具来实现的。基于模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)和基于障碍李雅普诺夫方程(Barrier Lyapunov Function，BLF)的反步设计法是其中两种典型的方法。

MPC的思想是将控制问题转化为优化问题，例如文献(Y.S.Lai andC.A.Yeh.Predictive digital-controlled converter with peak current-modecontrol and leading-edge modulation[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics，2009：1854-1863.)。但是，在处理变换器电路中的模型不确定性和干扰方面，MPC存在一定的缺陷。此外，这个控制算法在运行时还需要进行大量的运算，这往往会占用很多的硬件资源。