[发明专利]基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法

说明书

本发明公开了基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微分平坦控制方法，包括：对CCM Buck变换器反馈线性化建模；CCM Buck变换器控制器设计，具体为，CCM Buck变换器的平坦性分析，CCM Buck变换器的反馈补偿设计；灵敏度分析，提升CCM Buck变换器系统暂态性能。本发明有效地提高了对CCM Buck变换器输入电压和负载电流的扰动抑制。

技术领域

本发明属于变换器技术领域，具体涉及基于状态反馈精确线性化的 CCM Buck变换器微分平坦控制方法。

背景技术

Buck变换器是典型的时变、非线性系统，传统线性控制理论具有较 大的局限性，尤其是结构简单的比例积分控制无法使系统获得满意的动 态响应，且由于引入比例、积分等经验系数，使得系统控制难度较大， 因此Buck变换器的控制方法一直是众多学者们关注的热点问题。

为提高工作在连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM)下 Buck变换器的动态性能，国内外专家学者已经做了许多的研究工作。现 有文献通过递归设计算法构建有限时间反馈控制器，然后导出新颖的观 测器来估计Buck变换器不可衡量状态的有限时间的收敛速度，通过将状 态反馈控制法和从观测器输出的反馈控制律组合来分析系统稳定的有效 性。与渐近稳定性控制方法相比，提高了系统受扰动后的收敛速度，但 计算方法较复杂，获取准确的观测器数值难度大。现有文献为保留多级 Buck变换器开关应力低，电感尺寸小和功率密度高的优点，通过反向系统 理论的解耦最优控制方法在适当的电压参考值下平衡飞行电容电压。在逆系 统方法的基础上提出了一种通用的全线性化输出函数选择方法，实现了系统 的线性化和解耦，所提的控制策略具有好的动态性能。设计的多个最优控制 器对子系统进行控制，降低了控制器的设计难度，但计算过程较复杂。现有 文献针对CCM Buck变换器提出四种控制策略：单环自适应控制策略(SA)、 双环自适应控制策略(DA)、基于单环干扰观测器的控制策略(SDOB)以 及基于双环干扰观测器的控制策略(DDOB)，不考虑Buck变换器的参数不 确定的标称系统，来完成SA和DA的开发，考虑参数不确定的标称系统， 来完成SDOB和DDOB的开发，分析比较了所提出的四种控制策略的优缺点，对Buck变换器的控制器设计具有实际的指导意义。现有文献设计出了 时间离散状态反馈控制器，可应用于宽输出负载条件下的Buck变换器进行 高带宽电压控制，控制过程中建立了CCM和DCM的离散时间动态，所提 出控制电路结构的建模、设计及其性能在仿真和实验中得到证明。现有文献 提出了一种复合稳固的离散化准滑动模式控制(DQSMC)方法，以解决因 恒功率的负电阻效应引起的稳定性问题。文中设计了离散的整体滑动表面以 获得直流电压的快速且稳定的动态响应，将二阶滑动模式干扰观测器嵌入在 电压控制器中以进行干扰估计和补偿，由此组合的复合DQSMC方案具有强 鲁棒性，固有的抖动抑制和保证动态。同时，PI电流控制器保留在内部控制 回路中以实现电流控制。现有文献提出了基于辅助并联电感的顺序开关控制 方案，该方案引入了一个与输出电感并联的小型受控电感，在负载突变期间 增加电感电流变化率，提出了顺序切换策略来控制辅助并联电感，但对于受控电感的选取以及控制存在一定的难度。以上文献中所提控制方法可提高 CCM Buck变换器的动态性能，但在控制方法设计过程中引入了诸多如比例、 积分和微分等经验系数，造成系统稳定参数自由度增大，难以被其他研究者 学习。再者，大多控制方法是在仿真软件中运行，试凑出多组经验系数较容 易，却忽略了在实际应用中的可复现度。

发明内容

本发明的目的是提供基于状态反馈精确线性化的CCM Buck变换器微 分平坦控制方法，有效地提高了对CCM Buck变换器输入电压和负载电流的 扰动抑制，提高系统暂态性能。