阅读说明：本技术 一种基于Buck电路的滑模控制方法和系统 (Sliding mode control method and system based on Buck circuit ) 是由 李雅静 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种基于Buck电路的滑模控制方法和系统,包括：计算反馈电压值V*和电压偏差值V<Sub>ref</Sub>-V*；建立Buck变换器状态空间方程和电路运行在滑模面上时的状态空间方程；建立滑模面方程和二阶滑模面方程；计算滑模面控制率规则和滑模切换区间。本发明通过在Buck电路中引入滑模控制,并在采样电压中注入电感电流成分,使得滑模面S的计算不再受限于滞后的电容电压,从而使计算的控制变量u能更快地响应负载电流变化,提升Buck电路的反馈调节速度,快速响应信号干扰,增强电路动态性能。(The embodiment of the invention discloses a sliding mode control method and a system based on a Buck circuit, which comprises the following steps: calculating a feedback voltage value V and a voltage deviation value V ref -V; establishing a Buck converter state space equation and a state space equation when a circuit operates on a sliding mode surface; establishing a sliding mode surface equation and a second-order sliding mode surface equation; and calculating a sliding mode surface control rate rule and a sliding mode switching interval. According to the invention, sliding mode control is introduced into the Buck circuit, and an inductive current component is injected into the sampling voltage, so that the calculation of the sliding mode surface S is not limited by lagging capacitance voltage any more, and thus the calculated control variable u can respond to load current change more quickly, the feedback regulation speed of the Buck circuit is increased, signal interference is responded quickly, and the dynamic performance of the circuit is enhanced.)

一种基于Buck电路的滑模控制方法和系统

技术领域

本发明涉及Buck电路技术领域，具体涉及一种基于Buck电路的滑模控制方法和系统。

背景技术

随着用电设备的多样化，越来越多的设备，如人工智能卡，要求电源能应对大的负载或输入电压突变等情况。传统Buck电路控制大都使用脉宽调制技术，但脉宽调制的参数依赖系统结构，应对较大的信号干扰时，不得不降低系统带宽，动态特性较差。

电压变换电路作为一种非线性系统，可采用基于变结构理论的滑模控制策略。滑模控制是一种使系统结构时刻变化的非线性控制，根据控制目标沿设计的轨迹、作高频小幅运动，即滑模运动。滑模控制使得系统在应对大的信号干扰时，表现出较好的鲁棒性，以较快的速度实现系统收敛稳定，具有较好的动态性能与稳定性。

如图1所示，为现有技术中基于滑模控制策略的Buck电路框图，电路主要采集输出电容两端电压，并与参考电压作差，作为状态变量输入滑模控制器，滑模控制器输出控制信号u用于控制开关管的开通关断。输出电压Vo为滤波电容C及其等效电阻ESR的两端电压叠加，由C产生的电压滞后于电感变化电流。

常规滑模控制策略以Vo作为滑模控制器的状态变量进行分析时，会使计算出的控制变量滞后于实际电流变化，不能快速响应负载电流跃变，降低控制系统调整速度。常规滑模控制策略需在支路中加入精密电阻进行电流信号的采集，这样也增加了线路成本与layout压力。

发明内容

本发明实施例中提供了一种基于Buck电路的滑模控制方法和系统，通过在滤波电感两端串联RC回路采集电感电流，并在采样电压中注入电感电流成分，以解决现有Buck电路输出电压滞后电感电流变化的问题，提高控制回路反馈调节速度，快速响应信号干扰，增强电路动态性能。

本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种基于Buck电路的滑模控制方法，包括：

(1)根据Buck电路计算包含电感电流交流信息的反馈电压值V*，

V^*＝mi_L+nV_o，

其中，m和n为正的常实数，i_L为流过电感的电流，V_o为输出电压；

(2)根据反馈电压值V*建立Buck电路状态空间方程，

其中， 为状态变量，u∈{0，1}为控制变量，控制开关管的开通关断，矩阵参数V_in为输入电压，V_o为输出电压，V_ref为参考电压，V*为反馈电压值，C为输出电容，L为滤波电感，R为负载；

(3)根据Buck电路状态空间方程建立滑模面方程为，

其中，S为滑模面；

(4)根据滑模面方程选取二阶滑模面方程为，

其中，滑模面系数k>0；

(5)根据二阶滑模面方程，定义Buck电路运行在滑模面上时的状态空间方程为，

(6)根据Buck电路运行在滑模面上时的状态空间方程，设定滑模面控制率规则为，

(7)根据步骤(2)、(5)和(6)的方程，计算滑模切换区间[l1，l2]和滑模面系数k，根据滑模切换区间[l1，l2]和滑模面系数k对开关管进行最优滑模控制。

进一步地，所述根据Buck电路计算包含电感电流交流信息的反馈电压值V*的过程为：

(1)根据频域分析，计算电感L两端电压为，

u_L＝(sLL+DCR)i_L，

其中，s＝jω是复参变量,称为复频率，电感L由理想电感LL及等效电阻DCR组成，流过电感的电流为i_L；

(2)计算电容C₁两端的电压为，

(3)令电路参数则变量u_C1与i_L成正比，

u_C1＝DCR*i_L；

(4)计算C₁两端的交流分量电压为，

(5)计算电感电流交流信息的反馈电压值V*为，

其中，m和n为正的常实数。

进一步地，所述Buck电路特性为：

进一步地，所述Buck电路运行在滑模面上的条件为：

进一步地，所述滑模切换区间为：

其中，m，n∈(0，1)，l1、l2之间的区域即为滑模切换区间。

本发明第二方面提供了一种基于Buck电路的滑模控制系统，包括：

电压偏差计算单元，用于计算反馈电压值V*和电压偏差值V_ref-V*；

Buck电路状态空间建构单元，用于建立Buck变换器状态空间方程和电路运行在滑模面上时的状态空间方程；

滑模面构建单元，用于建立滑模面方程和二阶滑模面方程；

运算单元，用于计算滑模面控制率规则和滑模切换区间。

进一步地，所述电压偏差计算单元计算反馈电压值V*的过程为：

(1)根据频域分析，计算电感L两端电压为，

u_L＝(sLL+DCR)i_L，

其中，s＝jω是复参变量,称为复频率，电感L由理想电感LL及等效电阻DCR组成，流过电感的电流为i_L；

(2)计算电容C₁两端的电压为，

(3)令电路参数则变量u_C1与i_L成正比，

u_C1＝DCR*i_L；

(4)计算C₁两端的交流分量电压为，

(5)计算电感电流交流信息的反馈电压值V*为，

其中，m和n为正的常实数。

进一步地，所述系统运行在滑模面上的条件为：

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明提供的基于Buck电路的滑模控制方法和系统，通过在Buck电路中引入滑模控制，并在采样电压中注入电感电流成分，使得滑模面S的计算不再受限于滞后的电容电压，从而使计算的控制变量u能更快地响应负载电流变化，提升Buck电路的反馈调节速度；本发明由于滑模控制本身具有鲁棒性、稳定性的特点，因此增强了系统抑制信号干扰的能力；本发明以电容电压表示电感电流，避免在主功率回路上串接精密电阻，降低了电路功耗，节省了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述现有技术中基于滑模控制策略的Buck电路框图；

图2为本发明所述Buck电路框图；

图3为本发明实施例所述Buck电路滑模存在区域示意图；

图4为本发明所述基于Buck电路的滑模控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图2所示，为本发明Buck电路框图，Buck电路的控制目标是电压输出稳定。

本发明所述方法包括：

(1)根据Buck电路计算包含电感电流交流信息的反馈电压值V*，

V^*＝mi_L+nV_o，

其中，m和n为正的常实数，i_L为流过电感的电流，V_o为输出电压；

(2)根据反馈电压值V*建立Buck电路状态空间方程，

其中， 为状态变量，u∈{0，1}为控制变量，控制开关管的开通关断，矩阵参数V_in为输入电压，V_o为输出电压，V_ref为参考电压，V^*为反馈电压值，C为输出电容，L为滤波电感，R为负载；

(3)根据Buck电路状态空间方程建立滑模面方程为，

其中，S为滑模面；

(4)根据滑模面方程选取二阶滑模面方程为，

其中，滑模面系数k>0；

(5)根据二阶滑模面方程，定义Buck电路运行在滑模面上时的状态空间方程为，

(6)根据Buck电路运行在滑模面上时的状态空间方程，设定滑模面控制率规则为，

(7)根据步骤(2)、(5)和(6)的方程，计算滑模切换区间[l1，l2]和滑模面系数k，根据滑模切换区间[l1，l2]和滑模面系数k对开关管进行最优滑模控制。

在Buck电路中，电阻R3和电容C1形成串联支路，串联支路和滤波电感L并联，串联支路经由R4接入反馈分压电阻R1、R2之间，电压偏差V_ref-V*作为滑模控制器的输入用于控制开关管S1的开通和关断。

根据Buck电路计算包含电感电流交流信息的反馈电压值V*的过程为：

(1)根据频域分析，计算电感L两端电压为，

u_L＝(sLL+DCR)i_L，

其中，s＝jω是复参变量,称为复频率，电感L由理想电感LL及等效电阻DCR组成，流过电感的电流为i_L；

(2)计算电容C₁两端的电压为，

(3)令电路参数则变量u_C1与i_L成正比，

u_C1＝DCR*i_L；

(4)计算C₁两端的交流分量电压为，

(5)计算电感电流交流信息的反馈电压值V*为，

其中，m和n为正的常实数。

因为电容电压波形与电感电流波形相同，因此可采集C1两端电压表示电感电流，避免了在主回路中使用精密电阻。在反馈电压中注入电流纹波信号，提高采集信号的相位，使得滑模面S计算的相位提前，从而使计算的控制变量u能更快地响应系统变化，提高响应速度。

Buck电路特性为：

本发明中，二阶滑模控制技术能满足系统快速响应与鲁棒性要求，以输出电压偏差及其导数组合滑模面函数。

由电路运行在滑模面上时的状态空间方程，解一阶常系数线性微分方程可得：

V_ref-nV_o＝mi_L+x₁(0)e^-kt，

其中，x₁(0)为x₁在t＝0时刻的状态值。

由于且DCR极小为毫欧级，又经过电阻分压，所以m<<1，mi_L趋于0。因此，在k>0时，输出电压V_o以指数形式趋于参考电压，滑模控制能实现Buck电路稳定。

对本发明所述Buck电路，当S>0时，输出电压V_o小于参考电压，开关管S1导通，即u＝1；当S<0时，输出电压V_o大于参考电压，开关管S1关断，即u＝0。因此，定义滑模面控制率规则为：

为确保轨线保持在滑动线上，Buck电路必须遵守由李雅普诺夫第二方法推导出的存在条件，它决定了系统的渐进稳定性，因此Buck电路运行在滑模面上的条件为：

通过联立空间状态方程和滑模面方程，计算出滑模切换区间为：

其中，m，n∈(0，1)，直线l1、l2平行，且l2经过点(V_ref,0)，l1、l2之间的区域为滑模切换区间，如图3所示。

时，x₁以指数速度趋于0，即直线x₁＝0。只要l1、l2与x₂轴有交点，即斜率不是无穷大，系统就能到达滑模面S＝0。斜率无穷大时，可得出

计算出

实际应用时，尽量选择使初始到达点在滑动区间的滑模面系数k。

如图4所示，为本发明所述基于Buck电路的滑模控制系统结构示意图，系统包括：

电压偏差计算单元，用于计算反馈电压值V*和电压偏差值V_ref-V*；

Buck电路状态空间建构单元，用于建立Buck变换器状态空间方程和电路运行在滑模面上时的状态空间方程；

滑模面构建单元，用于建立滑模面方程和二阶滑模面方程；

运算单元，用于计算滑模面控制率规则和滑模切换区间。

电压偏差计算单元计算反馈电压值V*的过程为：

(1)根据频域分析，计算电感L两端电压为，

u_L＝(sLL+DCR)i_L，

其中，s＝jω是复参变量,称为复频率，电感L由理想电感LL及等效电阻DCR组成，流过电感的电流为i_L；

(2)计算电容C₁两端的电压为，

(3)令电路参数则变量u_C1与i_L成正比，

u_C1＝DCR*i_L；

(4)计算C₁两端的交流分量电压为，

(5)计算电感电流交流信息的反馈电压值V*为，

其中，m和n为正的常实数。

系统运行在滑模面上的条件为：

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。