谐振型dc-dc变换器高抗扰快响应控制系统及方法
阅读说明：本技术 谐振型dc-dc变换器高抗扰快响应控制系统及方法 (High-disturbance-rejection fast-response control system and method for resonant DC-DC converter ) 是由 段彬 白浩 张承慧 宋金秋 杨东江 苏祺钧 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法,属于高效功率变换系统先进控制技术领域,包括跟踪微分器、线性扩张状态观测器和滑膜控制器；跟踪微分器根据接收到的电压参考信号输出跟踪信号、一阶和二阶微分信号,线性扩张状态观测器根据接收到的信号,得到第一、第二估计状态和估计扰动,进而得到第一和第二误差信号；所述滑膜控制器根据预设滑膜控制律以及接收到的第一误差信号、第二误差信号、二阶微分信号和估计的总扰动输出控制信号,经过驱动发生器产生PWM驱动信号,驱动变换器的开关管的动作；本公开兼有自抗扰控制的高抗扰特性和滑模控制的快动态响应特性,能有效缓解传统滑模控制易引起的抖振问题。(The invention provides a high-disturbance-rejection fast-response control system and a high-disturbance-rejection fast-response control method for a resonant DC-DC converter, which belong to the technical field of advanced control of high-efficiency power conversion systems and comprise a tracking differentiator, a linear expansion state observer and a synovial membrane controller; the tracking differentiator outputs a tracking signal and first and second order differential signals according to the received voltage reference signal, and the linear extended state observer obtains a first estimation state, a second estimation state and estimation disturbance according to the received signal so as to obtain a first error signal and a second error signal; the sliding mode controller outputs a control signal according to a preset sliding mode control law, a received first error signal, a received second-order differential signal and an estimated total disturbance, and a PWM (pulse-width modulation) driving signal is generated by a driving generator to drive the action of a switching tube of the converter; the method has the high anti-interference characteristic of active anti-interference control and the fast dynamic response characteristic of sliding mode control, and can effectively solve the problem of buffeting easily caused by traditional sliding mode control.)
技术领域
本公开涉及高效功率变换系统先进控制技术领域，特别涉及一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
谐振型DC-DC变换器具有天然软开关特性，效率和功率密度等高，在电动汽车充放电等领域应用广泛。其中LLC式谐振型DC-DC变换器，软开关范围广，开关损耗低，输出电压范围大，易于实现谐振电感与变压器的磁集成，成为研究和应用热点。
电动汽车充电系统一般由AC-DC和DC-DC组成，其中DC-DC变换器直接与汽车动力电池相连，由于动力电池的容量和充电功率差异较大，遂要求DC-DC变换器输出响应快且控制准。
本公开发明人发现，尽管LLC谐振变换器存在上述优点，但是由于存在多个谐振元件，使其运行过程复杂，电压增益非线性强，数学模型阶次高，导致精准模型建立难；同时易受输入电压波动、谐振元件参数漂移、负载变化等扰动影响，模型时变，精准控制难度高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法，兼有自抗扰控制的高抗扰特性和滑模控制的快动态响应特性，控制效果又快又准，同时也能有效缓解传统滑模控制易引起的抖振问题。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统。
一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统，包括跟踪微分器、线性扩张状态观测器和滑膜控制器；
所述跟踪微分器根据接收到的电压参考信号输出跟踪信号、一阶微分信号和二阶微分信号，线性扩张状态观测器根据补偿信号、响应控制系统输出的控制信号和变换器的输出电压，得到并输出第一估计状态、第二估计状态和估计扰动；
根据输出跟踪信号与第一估计状态得到第一误差信号，根据一阶微分信号与第二估计状态得到第二误差信号；
所述滑膜控制器根据预设滑膜控制律以及接收到的第一误差信号、第二误差信号、二阶微分信号和估计的总扰动输出控制信号，经过驱动发生器产生PWM驱动信号，驱动变换器的开关管的动作。
本公开第二方面提供了一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制方法。
一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制方法，包括以下步骤；
根据接收到的电压参考信号，获取跟踪信号、一阶微分信号和二阶微分信号；
根据补偿信号、响应控制系统输出的控制信号和变换器的输出电压，得到并输出第一估计状态、第二估计状态和估计扰动；
根据输出跟踪信号与第一估计状态得到第一误差信号，根据一阶微分信号与第二估计状态得到第二误差信号；
根据预设滑膜控制律以及接收到的第一误差信号、第二误差信号、二阶微分信号和估计的总扰动输出控制信号。
本公开第三方面提供了一种电子设备，包括本公开第一方面所述的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法，用于提高系统动态响应速度和抗干扰能力，能够保证系统在输出负载扰动、输入电压变化和谐振腔电路参数漂移等情况下输出电压的快速精准控制，准确性好，鲁棒性高。
2、本公开所述的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法，不但可以有效提高LLC谐振型隔离DC-DC变换器的快速动态响应，而且能够有效抑制负载变化、谐振元件参数漂移、输入电压波动以及测量噪声等各类扰动，动态响应快。
3、本公开所述的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法，巧妙的将模型信息应用于混合控制器的设计，既减轻了线性扩张状态观测器的负担，提高了其快速性和准确性，又减小了扰动估计的滞后，可以对输出电压实现快速精准调节，特别适合于电动汽车或动力电池快速充放电等领域。
4、本公开所述的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统及方法，普适性好，可推广应用到双向变换器及其他谐振型隔离DC-DC变换器中，应用前景广阔。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1或实施例2提供的LLC谐振型隔离DC-DC变换器主电路拓扑图。
图2为本公开实施例1或实施例2提供的LLC谐振型隔离DC-DC变换器直流增益图。
图3为本公开实施例1或实施例2提供的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制方法的控制框图。
图4为本公开实施例1提供的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制方法的设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如背景技术中所述，因为现有的LLC谐振变换器易受输入电压波动、谐振元件参数漂移、负载变化等扰动影响，导致现有的控制方法精准控制难度高，因此，本公开实施例1提供了一种谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统。
首先，建立LLC谐振变换器的小信号模型，得到其输入到输出的传递函数。
然后，设计跟踪-微分器(TD)，规划过渡过程，解决快速性与超调量之间的矛盾，并获得给定信号的微分信号。
再次，根据LLC谐振变换器模型，设计线性状态观测器(LESO)，对系统状态和扰动进行观测，同时设计补偿函数，来减轻LESO负担，提高精度。
最后，根据选定的滑模控制面和趋近律，设计滑模控制律，输出控制信号。控制信号经过驱动发生器产生PWM驱动信号，驱动开关管工作。
下面结合附图，对本实施例的具体实施方法进行详细说明。
(1)建立LLC谐振变换器小信号模型
LLC谐振变换器结构图如图1所示，包括一次侧开关管S1-S4，谐振电感Lr、Lm，谐振电容Cr，变压器，二次侧整流二极管桥D1-D4，输出滤波电容Co和负载RL，采用基波近似法(FHA)得到其直流电压增益如图2所示，具体表达式如下：
其中Vo为输出电压，Vin为输入电压，n为变压器变比，λ为电感比fn为归一化开关频率，是工作频率fs与第一谐振频率fr的比值Q为变换器的品质因数
通常，为了精确表示谐振转换器的小信号传递函数，必须使用高阶多项式。但是，LLC谐振变换器的工作范围一般设置在谐振频率附近，同时所提控制方法对模型精确程度要求不高，因此设计了实用性好的精简模型并设计控制器。
采用扩展描述函数法建立LLC谐振变换器小信号模型，在谐振频率处精简后的输出电压与开关频率之间的传递函数如下：
其中kf是直流电压增益曲线的斜率，可通过对直流电压增益曲线求导得到：
当fs＝fr时，
(2)跟踪微分器设计
使用跟踪微分器(TD)提取输入参考信号的微分信号，本专利采用的TD设计如下：
其中，v1跟踪输入信号v，v2可以看作v的一阶微分信号，v3可以看作v的二阶微分信号，r是可调参数，改变r可灵活调节跟踪速度。
(3)线性扩张状态观测器设计
上述LLC谐振变换器控制到输出传递函数可以写成如下形式：
其中为系统内部已知扰动，fw(t)为系统外部未知扰动，b部分的已知部分为bo，
则该式可写为：
其中，为包含了LLC谐振变换器系统外扰与内扰的总扰动。
选取扩张状态变量则可将上式写成扩张状态空间描述：
相应的LESO表达式为：
为简化观测器参数设计，将观测器特征方程的极点设置在同一位置-ωo处，即令：
λ(s)＝s3+l1s2+l2s+l3＝(s+ωo)3 (9)
可得l1＝3wo，那么观测器增益矩阵设计为：
以上完成了该LESO的设计。
(4)滑模控制律设计
定义误差信号如下：
为提高系统响应的快速性，使系统状态在远离平衡点和接近平衡点时都能快速收敛，选取快速终端滑模面函数：
其中α、β均为大于0的常数，p、q为正奇数且q<p<2q。
那么滑模面导数为：
为了减小抖振和提高趋近速度，选取指数滑模趋近律：
令上述两式相等得：
进一步可得：
结合扩张状态观测器观测扰动，可得最终控制律如下
以下为稳定性证明：
取李雅普诺夫函数得到
选取k>0,ε>Δf，可得系统稳定。
本实施例提出的LLC谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统总体控制框图如图3所示，控制方法如图4所示，现做说明如下：
该控制结构主要由三部分构成，分别是跟踪微分器(TD)、线性扩张状态观测器(LESO)和滑膜控制器(SMC)。
电压参考信号v经过TD后输出其跟踪信号v1、一二阶微分信号v2和v3。控制器输出的控制信号u和变换器的输出电压y(Vo)进入LESO，并输出估计状态z1、z2和估计扰动z3。
其中，f0(z1,z2)是根据变换器模型设计的部分干扰补偿，以减轻LESO负担，提高精度。
v1、v2与z1、z2形成误差信号e1、e2，连同v3和估计的总扰动f一同送入滑模控制器，选取快速终端滑模面函数和指数趋近律来设计滑膜控制律。
滑模控制器输出控制信号u，经过驱动发生器产生PWM驱动信号驱动变换器。
实施例2：
本公开实施例2提供了谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制方法，控制框图如图3所示，包括跟踪微分器(TD)、线性扩张状态观测器(LESO)和滑膜控制器(SMC)。
电压参考信号v经过TD后输出其跟踪信号v1、一二阶微分信号v2和v3。控制器输出的控制信号u和变换器的输出电压y(Vo)进入LESO，并输出估计状态z1、z2和估计扰动z3。
其中，f0(z1,z2)是根据变换器模型设计的部分干扰补偿，以减轻LESO负担，提高精度。
v1、v2与z1、z2形成误差信号e1、e2，连同v3和估计的总扰动f一同送入滑模控制器，选取快速终端滑模面函数和指数趋近律来设计滑膜控制律，滑模控制器输出控制信号u，用于经过驱动发生器产生PWM驱动信号驱动变换器。
具体实施过程如下：
(1)建立LLC谐振变换器小信号模型
LLC谐振变换器结构图如图1所示，包括一次侧开关管S1-S4，谐振电感Lr、Lm，谐振电容Cr，变压器，二次侧整流二极管桥D1-D4，输出滤波电容Co和负载RL，采用基波近似法(FHA)得到其直流电压增益如图2所示，具体表达式如下：
其中Vo为输出电压，Vin为输入电压，n为变压器变比，λ为电感比fn为归一化开关频率，是工作频率fs与第一谐振频率fr的比值Q为变换器的品质因数
通常，为了精确表示谐振转换器的小信号传递函数，必须使用高阶多项式。但是，LLC谐振变换器的工作范围一般设置在谐振频率附近，同时所提控制方法对模型精确程度要求不高，因此设计了实用性好的精简模型并设计控制器。
采用扩展描述函数法建立LLC谐振变换器小信号模型，在谐振频率处精简后的输出电压与开关频率之间的传递函数如下：
其中kf是直流电压增益曲线的斜率，可通过对直流电压增益曲线求导得到
当fs＝fr时，
(2)跟踪微分器设计
使用跟踪微分器(TD)提取输入参考信号的微分信号，本专利采用的TD设计如下：
其中，v1跟踪输入信号v，v2可以看作v的一阶微分信号，v3可以看作v的二阶微分信号，r是可调参数，改变r可灵活调节跟踪速度。
(3)线性扩张状态观测器设计
上述LLC谐振变换器控制到输出传递函数可以写成如下形式：
其中为系统内部已知扰动，fw(t)为系统外部未知扰动，b部分的已知部分为bo，
则该式可写为：
其中，为包含了LLC谐振变换器系统外扰与内扰的总扰动。
选取扩张状态变量则可将上式写成扩张状态空间描述：
相应的LESO表达式为：
为简化观测器参数设计，将观测器特征方程的极点设置在同一位置-ωo处，即令：
λ(s)＝s3+l1s2+l2s+l3＝(s+ωo)3 (9)
可得l1＝3wo，那么观测器增益矩阵设计为：
以上完成了该LESO的设计。
(4)滑模控制律设计
定义误差信号如下：
为提高系统响应的快速性，使系统状态在远离平衡点和接近平衡点时都能快速收敛，选取快速终端滑模面函数：
其中α、β均为大于0的常数，p、q为正奇数且q<p<2q。
那么滑模面导数为：
为了减小抖振和提高趋近速度，选取指数滑模趋近律：
令上述两式相等得：
进一步可得：
结合扩张状态观测器观测扰动，可得最终控制律如下
以下为稳定性证明：
取李雅普诺夫函数得到
选取k>0,ε>Δf，可得系统稳定。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种电子设备，包括本公开实施例1所述的谐振型DC-DC变换器高抗扰快响应控制系统。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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