[发明专利]一种基于二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法

说明书

本发明公开了一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法，基于boost功率变换器非线性、变结构的特性，及传统控制方法自身的局限性，提出了一种用于boost功率变换器的新型二阶滑模控制方案。本发明方法不仅考虑了状态空间中的位置误差，而且考虑了误差状态的运动信息；其次，误差状态按照指数收敛于滑模面，加快了系统的收敛速度；同时控制方法的系数因式与状态变量相关，可以对输出进行良好的跟踪。此控制方法可实现输出电压快速调节，与传统滑模和传统PID方法相比，本发明中的二阶滑模控制方法具有响应速度快、纹波小、抗干扰能力强、鲁棒性好等优点。同时还可以降低传统一阶滑模中存在的抖振问题，从而显著提高了boost变换器控制器的性能。

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，具体利用新型二阶滑模的控制方法来提高功率变换器的动态性能和稳态性能，提升系统的鲁棒性，进一步削弱滑模控制中存在的抖振问题。

背景技术

Boost功率变换器是一种DC-DC的开关电源，其拓扑结构简单、元器件少及较好的工作可靠性，在航天、能源、电动汽车和医疗等行业都有比较广泛的应用。现在传统上基本上控制方式都是PI控制，一般通过两种方式来实现，(1)通过电阻、电容、运算放大器和模拟控制芯片等器件组成的模拟PI控制器来实现控制和调节；(2)通过数字芯片(例如：STM32、DSP、FPGA等)和编写PI程序代码来实现控制和调节。但是由于boost功率变换器是一种典型的非线性系统，而PI是一种经典的线性系统控制方法。所以当用一种线性控制方法来控制一个非线性系统不是合适的，虽然可以使系统在有限时间内达到稳定，但是其动态性能和稳态性能仍有一定的改善空间。针对这种非线性系统，本发明这里提出的二阶滑模算法是一种不连续的控制方法，该方法不仅考虑了状态空间中误差状态的位置而且还考虑了误差运动的信息，使得误差状态按照指数收敛于滑模面。该方法针对这种非线性系统所设计，对改善其动态性能和稳态性能都有比较好的效果，增强了系统的鲁棒性。

对于滑模算法，从理论上来说需要开关器件的开关速度达到无限的快，但是实际中由于器件等因素却做不到。因此在滑模面切换的过程中会出现抖振现象。因此解决或者减小抖振问题，将成为本领域解决问题的关键。

发明内容

本发明是一种基于新型二阶滑模算法的boost功率变换器控制方法。通过在一阶滑模的输入端加入积分器，将实际的控制信号及其导数，并将其导数连续积分从而解决或者减小一阶滑模抖振问题。具体步骤如下：

步骤一：建立boost变换器控制系统的非线性数学模型；

步骤二：分析新型二阶滑模控制器需要满足的条件；

步骤三：建立基于boost变换器的新型二阶滑模控制器。

首先，需建立boost功率变换器控制器系统非线性数学模型，具体如下：

其中，V_i是输入电压；V_o是输出电压；u是控制器输出，仅有两个状态，即0和1，V_ref是参考电压，也是目标电压；S是已知滑模变量，并且需要滑模变量S相对于控制器u的相对程度为2；

接着，基于滑模变量S相对于控制器u的相对程度为2，分析控制器需满足的条件，具体设计为：

滑模面第一阶段导数有：

滑模面的二阶导数有：

其中，

其中，i_L是电感的电流；是滑模变量的二阶导数；a(t,x)是一个未知变量且b(t,x)是一个未知变量且