电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统及方法
阅读说明：本技术 电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统及方法 (Composite function single-cycle control system and method of power electronic power converter ) 是由 吴青华 郭泳良 王磊 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统及方法,属于电压变换器控制领域,本发明公开的复合函数单周期控制方法属于非线性控制方法,通过在单周期控制环节中引入合适的复合函数,影响控制系统的雅可比矩阵特征值分布,从而消除控制系统存在的分岔现象,有效扩大控制系统的稳定域。本发明可以在不改变控制系统主电路参数的条件下提高控制系统稳定性,且可以根据不同的设计要求调整复合函数,具有广泛的适用性。(The invention discloses a composite function single-period control system and a composite function single-period control method of a power electronic power converter, which belong to the field of voltage converter control. The invention can improve the stability of the control system under the condition of not changing the parameters of the main circuit of the control system, can adjust the composite function according to different design requirements, and has wide applicability.)
技术领域
本发明涉及电力电子及非线性控制技术领域，涉及一种DC/DC变换器的控制系统及方法，具体涉及一种电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统及方法。
背景技术
DC/DC变换器广泛应用于工业、通讯、消费性电子产品等行业。作为一种非线性系统，在一定运行条件下会出现分岔、混沌等非线性现象。这些非线性现象严重影响系统的稳定性。
传统的线性控制方法无法解决非线性问题。单周期控制作为一种非线性控制方法，因为其具有结构简单、在一个周期内抑制扰动的优点，自提出以来，被广泛的应用于电力电子变换器的控制。但现有的单周期控制无法对分岔进行控制。
因此，设计一种能够对变换器进行分岔控制的复合函数单周期控制系统及方法具有很好的应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了控制电力电子功率变换器的非线性现象，提供一种电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统及方法。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于DC/DC变换器的电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统，所述的控制系统包括：检测单元、复合函数单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器，其中，
所述的检测单元和外部的Buck-boost变换器相连，所述的检测单元检测得到Buck-boost变换器的输出电压uo，所检测到的uo信号送入复合函数单元得到复合函数 为选定的复合函数，信号与参考电压uref和输入电压uin之和经过乘法器后送入复位积分器；同时，uref信号也需经过复合函数单元得到复合函数 信号与uref信号经过乘法器得到
所述的复位积分器的输出端与增益的输出端分别与所述的比较器的两个输入端相连；所述的比较器用于对所述的乘法器和复位积分器处理得到的信号进行对比，用于提供所述的RS触发器的R端信号，R端为RS触发器的复位端；RS触发器的S端连接时钟信号，RS触发器的输出Q端输出信号即为Buck-boost变换器开关S的驱动信号g(S)。
进一步地，当时钟信号为高电平时，所述的RS触发器的Q端输出高电平，RS触发器的端输出低电平，RS触发器的端作为可复位积分器的复位端信号，RS触发器的复位R端由比较器的输出信号决定，当比较器输出端为高电平时，RS触发器复位，此时RS触发器的Q端输出低电平，RS触发器的端输出高电平。
进一步地，选定的复合函数是在正半轴大于0的绝对单调增函数。
本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统的控制方法，通过在每个开关周期保持复位开关器的输出值与参考值相等来实现变换器的控制，所述的控制方法包括下列步骤：
当时钟信号为高电平时，一个周期开始，开关S导通，一方面，信号uref进入复合函数单元得到所述的乘法器接收到信号uref以及复合函数单元的信息计算出参考值另一方面，检测单元检测变换器的输出电压uo，并将检测得到的信号送入复合函数单元，复合函数单元所得到的值与uref和uin的和进入乘法器而后输入所述的复位积分器计算得出的积分值，复位积分器所得到的结果和参考值分别送入比较器的两个输入端，比较器的输出端连接RS触发器的R端，从一个周期开始时，积分值随着时间不断增加，当积分值达到参考值时，比较器输出高电平，此时RS触发器的复位端R端使得RS触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，于是，开关S关断；保持开关S关断直到下一个开关周期开始，即下一个时钟信号高电平，重复开始以上的步骤继续进行下一轮的控制。
进一步地，所述的控制方法中，以电路电感电流iL和输出电压uo为状态变量x＝[uoiL]T，[·]T表示转置，由电路的开关管导通和开关管关断两个运行状态分别建立Buck-Boost变换器的状态方程：
其中
用d表示Buck-Boost变换器开关占空比，由电路的运行状态决定，Buck-Boost变换器包括输入电压uin、开关管S、二极管D、负载电阻R、开关周期T、电感L和滤波电容C；
分别求解开关管导通时与关断时的微分方程，求得Buck-Boost变换器的离散映射模型：
其中xn、xn+1分别是周期开始时刻和结束时刻的状态变量值；
将复合函数单周期控制方法控制率表示为：
利用隐函数求导规则，求得采用复合函数单周期控制方法的Buck-Boost变换器的雅可比矩阵如下：
其中，uon为Buck-Boost变换器输出电压在周期开始时刻的值，uos为Buck-Boost变换器输出电压在开关管切换时刻的值，iLs为电感L在开关管切换时刻的电流值，R为负载电阻，C为电容值，d为Buck-Boost变换器的占空比，uo为Buck-boost变换器的输出电压；
根据劳斯-赫尔维茨稳定判据，当在复平面中，公式(4)所示雅可比矩阵的特征值的模都在单位圆内时，Buck-Boost变换器的输出电压不会出现分岔现象。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明针对包括DC/DC变换器的非线性系统，设计一种复合函数单周期控制系统及方法，在单周期控制环节引入复合函数，通过设计合适的复合函数，改变系统雅可比矩阵的特征值分布，从而影响系统的稳定性，使系统获得更大的稳定域。
(2)本发明设计的复合函数单周期控制方法，既保持了单周期控制结构简单、在一个周期内抑制扰动的优点，也能实现消除分岔、扩大稳定域的目的，具有很好的实用价值。
(3)本发明对所需要的复合函数的要求仅为单调递增即可，因此，理论上，常见的复合函数如对数函数、反正切函数以及幂函数等都可选取作为所需的复合函数。
附图说明
图1是本发明中Buck-Boost变换器主电路图；
图2是本发明提出的复合函数单周期控制系统结构图；
图3是采用本发明提出的复合函数单周期控制方法的Buck-Boost变换器在同一条件下的输出电压时域波形图；
图4是采用现有单周期控制方法的Buck-Boost变换器正常运行时的输出电压时域波形图；
图5是采用现有单周期控制方法的Buck-Boost变换器发生分岔时的输出电压时域波形图；
图6是采用本发明提出的复合函数单周期控制方法的Buck-Boost变换器在同一条件下的输出电压时域波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
以Buck-Boost变换器为例，结合附图对本发明公开的一种电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统的控制方法作进一步详细说明。
Buck-Boost变换器主电路部分如图1所示。图1中包括输入电压uin、开关管S、二极管D、负载电阻R、T为开关周期，电感L和滤波电容C。其中电感电流用iL表示，输出电压uo用表示。
以电路电感电流iL和输出电压vo为状态变量x＝[uo iL]T，由电路的运行状态(两个状态：开关管导通和开关管关断)建立Buck-Boost变换器的状态方程：
其中
用d表示Buck-Boost变换器开关占空比，由电路的运行状态决定，分别求解开关管导通时与关断时的微分方程，可以求得Buck-Boost变换器的离散映射模型：
本实施例提出的复合函数单周期控制方法控制率可以表示为：
利用隐函数求导规则，可以求得采用复合函数单周期控制方法的Buck-Boost变换器的雅可比矩阵如下：
其中，uon为Buck-Boost变换器输出电压在周期开始时刻的值，uos为Buck-Boost变换器输出电压在开关管切换时刻的值，iLs为电感L在开关管切换时刻的电流值，R为负载电阻，C为电容值，d为Buck-Boost变换器的占空比，uo为Buck-boost变换器的输出电压。
根据劳斯-赫尔维茨稳定判据，当在复平面中，若公式(4)所示雅可比矩阵的特征值的模都在单位圆内时，Buck-Boost变换器的输出电压不会出现分岔现象。从公式(4)可以看出，在控制系统主电路参数不变的情况下，选择不同的复合函数会直接对雅可比矩阵产生影响，进而影响到Buck-Boost变换器的运行稳定性。
实施例二
本实施例公开了一种基于Buck-Boost变换器的电力电子功率变换器的复合函数单周期控制系统，图2所示为复合函数单周期控制系统结构图。控制系统包括：检测单元、复合函数单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器。检测单元与外部的Buck-Boost变换器直接相连，检测得到Buck-Boost变换器的输出电压uo，所检测到的信号发送给复合函数单元以及经过乘法器后送入复位积分器；同时，参考电压uref发送给复合函数单元以及经过乘法器后得到参考值复位积分器对所接收到的信号进行处理，而后将所得到的信号和参考值送入比较器，比较器的输出端连接RS触发器的R端，RS触发器的R端为RS触发器的复位端；RS触发器的S端连接时钟信号，当时钟信号为高电平时，RS触发器的Q端输出高电平，RS触发器的端输出低电平。RS触发器的复位端R端由比较器的输出信号决定，当比较器输出端为高电平时，RS触发器复位，此时RS触发器的Q端输出低电平，RS触发器的端输出高电平；RS触发器的输出Q端即为开关S的驱动信号g(S)。比较器的输出端与触发器的R端连接，用于提供RS触发器的复位信号。
实施例三
本实施例公开了一种基于Buck-Boost变换器的复合函数单周期控制系统的控制方法，该控制方法基于图2中用于Buck-Boost变换器的控制系统进行实施，该方法的具体工作流程如下：在一个周期开始时，如第k个开关周期,首先由信号uref经过复合函数单元和乘法器计算出参考的值,此时复位积分器的输出为零。当时钟信号为高电平时，触发RS触发器，通过其Q端控制开关S开通，此时，复位积分器对进行积分，其输出值由初始值开始单调增长。当复位积分器的输出值大于参考值时,比较器的输出端会产生复位脉冲信号,使复位积分器复位，通过复位积分器Q端控制开关S关断。则复位积分器的输出保持为零直到下一个时钟脉冲的到来。
本实施例选定输入电压Vin为5V，电感L为15mH，滤波电容C为470μF，负载电阻为30Ω，开关周期T为400μs，控制系统中的复合函数选择为反正切函数图3-6为实施例的仿真结果，如图3所示为当参考电压Vref为6V，采用本发明提出的复合函数单周期控制方法的Buck-Boost变换器输出电压波形图，可以看出，此时系统运行在稳定状态下，输出电压波形为锯齿波，稳定在6V附近，符合Buck-Boost变换器的输出规律。如图4所示为当参考电压Vref为6V时采用传统单周期控制方法的Buck-Boost变换器输出电压波形图，由波形看出系统同样能够输出稳定的6V电压，与传统单周期控制方法一致。
图5所示为参考电压Vref为10V时采用本发明提出的复合函数单周期控制方法的Buck-Boost变换器的输出电压波形图，可以看出系统仍然能够输出稳定的10V电压，分岔现象被消除，达到扩大稳定域的设计目的。而作为对比分析，如图6所示为参考电压Vref为10V时采用传统单周期控制方法的Buck-Boost变换器输出电压波形图。由输出电压波形可以看出，此时系统运行在分岔状态下，输出的电压无法稳定在10V，存在大幅度的低频振荡。这会严重影响系统的正常运行，且对上下级系统造成危害。
综上所述，本发明能够在不改变主电路参数的条件下，仅通过在控制环节引入复合函数即可实现分岔控制，提高控制系统的稳定性，且不会影响到控制系统的收敛性。并且可以根据设计目标与控制系统参数，灵活选择合适的复合函数，具有广泛的适用性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。