基于模型的buck-boost变换器协同无源控制-李红梅.pdf

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1、2016年1月 电工技术学报 V0131 No2第3 1卷第2期 TRANSACTl0NS 0F CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan 20160基于模型的BuckBoost变换器协同无源控制李红梅叶帮红(合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009)摘要 为了改善BuckBoost变换器的动态性能和静态性能，基于无源控制实现变换器电感电流期望值的实时观测，再与协同控制相结合得出控制律，提出了协同无源控制的Buck-Boost变换器实现其高性能控制并使之兼具强鲁棒性。为了简化控制器结构，选取协同控制宏变量时未引入积分环节，易于实时实现。最后，采用基于模型

2、设计的开发流程和自动代码生成技术，开发协同无源控制的BuckBoost变换器样机，通过系统的仿真研究和样机的实验测试，验证该变换器的动态和静态控制性能。关键词：BuckBoost变换器 协同无源控制 鲁棒性 基于模型设计 自动代码生成中图分类号：TM46The ModelBased Synergetic and PassiVity Control ofBuckB00st C0nverterLf舶Mgmef B日玎g|lDng(Sch001 of Electrical Engineering and Automation Hefei UniVersity of 7rechn0109yHefei

3、230009 China)Abstract To improVe the dynamic and steady performance of BuckBoost conVerter， thepassivity-based controlis introduced to implement the realtime obserVation of the inductance cuHentAnd then，combined with the synergetic contr01，the contr01 law is obtained，that is，the synergetic andpassiv

4、ity control is suggested to implement the high performance contr01 and strong robustness ofBuck-Boost conVerterDuring the process in selecting macro Variables of synergetic contr01，theintegral parts are ne91ected to simplify the controller stmctureFurthemore，by adopting the model一based development p

5、rocedures and the automatic code generation technology，the experimental prototype ofsynergetic and passive controlled BuckBoost converter is deVelopedThe simulation and experimentaltest Validate the dynamic state and steady state contr011ed perfbrmance of the proposed conVerterKeywords： BuckBoost co

6、nVerter， synergetic and passiVity control，robustness，modelbaseddesign，automatic code generation引言BuckBoost变换器具有结构简单、输入电压范围宽和可灵活实现升压与降压控制等优点，因此在电力电子领域得到了广泛的应用。BuckBoost变国家自然科学基金(51377041)，安徽省教育厅重点项目(20llA217)和国家大学生创新训练项目(20121035901 5)资助。收稿日期2013一1217 改稿日期2014Ol15换器通常采用经典的电流内环和电压外环的双闭环PI控制，但是该系统在某些应用

7、场合，如输入电压或负载变化较大、电路中的电子元器件参数发生改变，经典的双闭环PI控制往往无法获得满意的系统动态和静态控制性能，甚至会出现系统不稳定运行的现象，尚需寻求高性能的非线性控制策略。对DCDC变换器，常用的非线性控制策略有滑模控制、无源控制和协同控制等。文献2】采用滑万方数据第31卷第2期 李红梅等 基于模型的BuckBoost变换器协同无源控制 87模控制，具有较强的鲁棒性，但此种控制不能使开关管工作在固定的频率下，输出电压稳态误差较大，对滤波器的设计要求较高。无源控制是基于能量耗散理论，对外部扰动和系统参数变化均具有较强的鲁棒性3。5】，为此，文献6设计了基于无源控制的DCDC变换

8、器，但研究表明该系统对较大范围的外部扰动，其输出电压稳态误差较大。为改善系统性能，文献7在无源控制的基础上，引入了滑模控制，有效抑制了电感电流的超调，但针对负载扰动，系统仍然存在较大的输出电压稳态误差。文献8则是将无源控制和PI控制相结合，针对外部扰动，系统虽然能够镇定到平衡点，但存在超调，且其输出电压稳态误差依然较大。非线性控制中的协同控制，是基于定向自组织原理，按照协同控制理论设计的控制器具有较好的稳态特性和动态性能，并对参数的变化具有很强的鲁棒性【91。以协同控制理论为基础，文献1013设计了基于协同控制的Boost变换器，且对协同控制策略进行了改进，在一定程度上减小了电感电流的超调，但

9、均是以增加控制策略复杂难度为代价，而且仍然不能明显抑制电感电流超调。为此，文献14引入遗传算法优化协同控制器参数，选取宏变量时包含积分环节，对于参数扰动、输入电压及负载扰动，系统虽能够镇定至平衡点，但其电感电流依然存在超调，且协同控制策略中引入积分环节，采用遗传算法优化控制器参数导致控制策略复杂，不易实时实现。为此，针对BuckBoost变换器，为了实现在输入电压变化、负载变化及其电路电子元器件参数发生改变条件下，系统能快速有效地被镇定至平衡点稳定运行且有效抑制电感电流的瞬态超调，论文将无源控制和协同控制相结合。首先研究BuckBoost变换器的协同无源控制策略；再基于模型设计和自动代码生成技

10、术15，开发协同无源控制的BuckBoost变换器样机；最后进行系统仿真和实验测试研究并给出结论。1 BuckBoost变换器的协同无源控制BuckBoost变换器的主电路拓扑如图1所示，假设各元器件均为理想元器件，且变换器工作于连续模式下，基于状态空间平均法，可得BuckBoost变换器的状态平均模型为j支54x+四龆 (1)【y=其中爿=o一型上1一d lC RCx：卜 ：f，I吃 L o式中，_、恐分别表示电感平均电流屯和电容平均电压掰c；d代表开关管的占空比，且0dl；U。表示输入电压；三、c和尺分别表示变换器电感、电容和电阻。图1 BuckBoost变换器主电路拓扑Fig1 The

11、main circuit topology of BuckBoost conVerter根据协同控制理论，选取系统状态轨迹向流形P=0的动态演化规律丁妒+妒=0 (2)式中，丁表示系统趋向流形y=0的收敛速度，且丁0。协同控制的目的是将系统镇定至平衡点稳定运行，即实现xl=曩ref、x2=z2ref，墨rcf、娩ref分别表示电感电流和电容电压的期望值。定义宏变量为少=(工2一x2rcf)+宓(_一墨，。f) (3)式中，七为控制参数，且露0。d=-一兰兰兰竺二二麦重吾一c4，撅+(1一d)觑+戤2s (5)。=(t，=(肛K cJ卜l一1 oJ、，00d一0，L=8万方数据88 电工技术学报

12、 2016年1月曰=(：，足)选取能量存储函数为若：f，dun L o 厅(x)=丢xT执=圭研+圭暖 对式(6)求导可得膏(x)=现南+c砚岛=d。西一x；尺。y(7 2式(7)表明，基于协同控制的BuckBoost变换器系统是无源的，注入合适的阻尼可实现系统输出误差渐进稳定到零点，系统状态及输出变量逐渐收到期望值。定义系统误差变量：叠=x一，将此式代入式(5)，可得系统的误差状态方程为刃蠢+(1一d)。反+冗圣=咖 (8)圣2一刃嚏ref一(1一万)。五fjbf (9)对系统注入阻尼月髯，则有D未+(1一d)。厩+孟叠=西 (10)西=s一礅，ef一(1一d)。乃fj：bf+R髯 (11)

13、式中孟=曰+皿 R 7=(0： 心。令咖，_0，选择李雅普诺夫函数詹：二舅T蹶O (12)则其关于时间的导数为存=昙妄T腑+昙贾T戚=一(心寄+R)o(13) 2 2 “1 ，由无源控制理论可知，当咖=O时，误差变量i收敛到零，系统能够实现渐近稳定。由西=O，整理式(11)右侧方程可得pref+(1一d)一心(1一)=姒n(14)【c甍。f一(1一d)而。f+恐。fR=o对于协同无源控制的BuckBoost变换器，娩心f=f，根据式(14)，则有=忐 ，联立式(4)和式(15)，可得BuckBoost变换器的协同无源控制律为一选一=忐 KIld J (16)不同控制策略下的BuckBoost变

14、换器仿真BuckB00st变换器主电路参数为：额定输入电压U。=12V，电感三=396H，电容C=100灯，电阻R=195Q，期望输出电压吒f=15V，准确度为2，开关频率厂=60kHz。协同无源控制参数尼决定了系统调整时间和超调量，增加后值，超调量减小，但系统调整时间变长。丁的选择直接影响起动过程中的系统超调和系统稳态误差，当r值越大时，起动过程的超调量将减小，但系统起动时间会增加，且稳态误差增大。通过不同控制参数条件下的系统仿真对比分析与优化获得最佳控制参数为七=100，仁1667“s。假定负载扰动如图2a给定所示，负载扰动下BuckBoost变换器在不同控制策略下的系统动态比较图如图2所

15、示。电感参数扰动为户O，三=396uH；卢01s，三23168“H；f=015s，三=396H；户02s，三=4752“H；户O25s，三=396“H。电感参数扰动下BuckBoost变换器在不同控制策略下的系统动态比较如图3所示。图2图3中SACT统一表示基于协同控制的系统动态，SAPBCT统一表示基于协同无源控制的系统动态。系统仿真结果表明：协同控制的BuckBoost变换器系统，其电感电流瞬态超调明显，针对20的负载扰动和电感参数扰动，系统稳态误差较大，准确度约2667；而协同无源控制的BuckBoost变换器系统电感电流不存在瞬态超调，针对20的负载扰动和电感参数扰动，系统均能镇定至平

16、衡点稳定运行，且输出电压稳态误差很小，准确度约为133。s(a)负载扰动波形万方数据第31卷第2期 李红梅等 基于模型的BuckBoost变换器协同无源控制 892015毛10暑50f l f一一一一一SACTSAPBCTO O 2 0 3s(b)输出电压动态比较fs(c)协同无源控制下输出电压动态放大，s(d)电感电流动态比较图2 负载扰动下的系统动态比较Fig2 The comparison of system dynamics underload perturbation2015之g Io5Of 、7 rf一一一一SACTSAPBCTs(a)输出电压动态比较!一一一一SACTSAPBCT

17、U U l U 2 Ujs(b)电感电流动态比较图3 电感参数扰动下系统动态比较Fig3 The comparison of system dynamics underinductance perturbation3 协同无源控制的BuckBoost变换器实验研究基于模型设计的开发流程，仅需关注核心控制算法，繁琐的代码生成工作直接由代码自动生成技术完成，不仅缩短了开发周期，降低了开发难度，而且减少了手工代码过程中的人为错误，提高了程序代码的编写效率，基于V模式开发流程框图如图4所示。图4基于v模式的开发流程框图Fig4 The worknow diagram of V modebaseddev

18、elopment process为此，利用Mathworks公司提供的一系列工具，完成从设计理念到算法模型，再由模型自动生成C语言代码的开发流程，开发出协同无源控制的BuckB00st实验样机，其实验原理框图和硬件电路如图5所示。实验样机中开关管选用IRF9540，数字处理芯片选用TMS320F28335，其主电路参数与系统仿真研究中的主电路参数一致。图6为系统在20输入电压扰动下系统仿真与实验的动态比较。由系统动态比较图可知：电源开机后，基于协同无源控制的BuckBoost变换器的输(a)实验原理框图万方数据90 电工技术学报 2016年1月BuckBoost变换器信号检测调理电路驱动电路供

19、电电源变化，协同无源控制的BuckBoost变换器具备较强的鲁棒性、稳态误差小，并能够有效抑制现有控制策略中存在的电感电流瞬态超调，而且结构简单，易于实时实现。可以预见，BuckBoost变换器的协同无源控制策略及基于模型的设计思想将在电动汽车辅助电源、车载充电器等开关电源设计及其高性能控制中得到推广应用。6l嶙1图5 实验原理框图和硬件电路Fig5 The principle diagram of experimentand hardware circuit出电压和电感电流均无瞬态超调，系统能快速镇定至平衡点稳定运行，且稳态误差很小。(a)输出电压动态比较坞(b)电感电流动态比较图6 输入电

20、压扰动下系统动态比较Fig6 The comparison of system dynamics underthe input Voltage perturbation4 结论为了提升BuckBoost变换器在时变输入电压、负载扰动和元器件参数变化下的系统动态性能、稳态性能及鲁棒性，简化协同控制中宏变量选取，论文将无源控制和协同控制相结合，提出了BuckBoost变换器的协同无源控制策略。在上述研究基础上，基于模型设计开发流程和自动代码生成技术快速有效地开发出协同无源控制的BuckBoost变换器实验样机。系统仿真研究和实测研究结果表明：针对时变的输入电压、负载扰动和元器件参数参考文献杨君东，

21、李磊BuckBoost式三电平单级AcAc变换器J电工技术学报，2010，25(2)：107113Yang Jundong，Li LeiA BuckBoost mode threelevel sin91estage ACAC converterJ】Transactionsof China E1ectrotechnical Society， 20 1 0， 25(2)：1071 13Morel C，Guignard J C，Guillet MSliding modecontr01 of DCtoDC power conVerters【C9thInternational Conference on

22、 E1ectronics Circuits andSystems，2002，3：97 1974张晓华，张卫杰三相电压型PwM整流器的IDAPB控制J电工技术学报，2009，24(3)：122127Zhang xiaohua，zhang weijieIDAPB contr01 forthree-phase PWM Voltage source recterJTransactions of China Electrotechnical Society， 2009，24(3)：122127薛花，姜建国基于无源性的同步电动机自适应控制J电工技术学报，2009，24(10)：3339Xue Hua，Ji

23、ang JianguoAdaptive passivitybasedcontrol of synchronous motorsJ Transactions ofChina Electrotechnical Society，2009，24(10)：3339张先勇，舒杰基丁无源性理论的双馈风力发电机双PwM变换器协调控制J电力系统保护与控制，2叭0，38(21)：184195Zhang Xianyong，Shu JiePassiVity-based cooperationcontrol of dual PWM converters for doublyfed windpower generator

24、J Power System Protection andContr01，2010，38(21)：184一195吴磊涛，杨兆华，胥布工DCDC开关变换器的无源控制方法J电工技术学报，2004，19(4)：6669Wu Leitao，Yang Zhaohua，Xu BugongInVestigationof passivity-based contr01 of DCDC converterJTransactions of China E1ectrotechnical Society，2004，1 9r41：6669万方数据第31卷第2789101213期 李红梅等 基于模型的BuckBoost变

25、换器协同无源控制 91乔树通，伍小杰，姜建国基于无源性的滑模控制在DcDc变换器中的应用【J】电工技术学报，2003，1 8(4)：4145Qiao Shutong，wu xiaojie，Jiang JianguoApplicationof passiVitybased sliding model control in DCDCconVertersJTransactions of China ElectrotechnicalSociety，2003，18(4)：4l一45Wang B，Ma YResearch on the passivitybasedcontrol strategy of B

26、uck-Boost converters with awide input power supply rangeJIEEE IntemationalSymposium on Power Electronics for DistributedGeneration Systems，2010，24(1)：304308KolesnikoV A A Modem applied control theory：synergetic approach in control theoryMMoscow-Taganrog，Russia：TSURE Press，2000王前，李韬基于变结构的协同控制方法及其在DCD

27、C开关变换器中应用J电力自动化设备，2010，30(4)：3 135Wang Qian， Li Tao Synergetic control based onVariable structure and its application in DCDCconVener【JElectric Power Automation Equipment，2010，30(4)：3 135KolesnikoV A， VeseloV G， Monti A Synergeticsynthesis of DC-DC Boost converter controllers：theory a11d experimenta

28、l analysisC】IEEE SeventeenthAnnual Applied Power E1ectronics Conference andExposition，Dallas，Texas，2002，1：409-4 1 5Santi E，Monti A，Li D，et a1Synergetic control forDCDC Boost conVerter：Implementation optionsJ】IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(6)：18031813Santi E，Monti A，Li D，et a1Syne

29、rgetic control for1415】16】【17power electronics applications：a comparison with thesliding mode approachJWSP Joumal of Circuits，Systems and Computers，2004，13(4)：737760王学军，文劲宇，程时杰基于遗传算法的Boost变换器协同控制器设计J电力电子技术，2006，40(5)：16一18wang xuejun，wen Jingyu，cheng shijieDesign ofBoost conVener synergetic controll

30、er using geneticalgorithmJPower Electronics，2006，40(5)：1618刘杰，周宇博基于模型的设计一MsP430F28027F28335 DSP篇M北京：国防工业出版社，2011邱银锋，梁志珊无需检测负载有功电流的一种APF无源性控制方法J】I电力系统保护与控制，2012，40(23)：80-86Qiu Yinfeng，Liang ZhishanPassivity_based controlof APF with no load active current dectectionJPower System Protection and Contro

31、l，20 l 2，40(23)：8086吕学志，康忠健，梅永超基于无源性理论的电压不平衡条件下PwM整流器非线性控制策略J】电力系统保护与控制，2013，41(6)：7176Ln xuezhi， Kang zhon百ian， Mei YongchaoNonlinear control of PWM rectifier based onpassiVity theory undef unbalanced grid voltage【J】Power System Protection and Control，2013，41(6)：7176作者简介李红梅 女，1969年生，教授，博士生导师，研究方向为电

32、驱动系统设计及控制和电动汽车技术等。Email：hongmei，lihfut，educn(通信作者)叶帮红 男，1987年生，硕士研究生，研究方向为电动汽车技术。A，史正电工技术学报2015年第30卷第12期发表论文基于多阶FDTD雷电感应过电压计算新方法(第336343页)求解Agrawal模型耦合方程及处理线路不连续点的二阶FDTD(FDTD 2nd)法所参考文献有误，现将第343页参考文献13更正为13 Pa010ne MModeling of lightninginduced V01tages on distribution networks fbr the solution of power quality problems and relevantimpIementation in a transient program【D】Bologna：UniVersity of B0109na，2001由于作者的笔误造成了本文参考文献的引用错误，特此更正。万方数据