雙管型升降壓變換器的mit模型參考自適應(yīng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種雙管型升降壓變換器的MIT模型參考自適應(yīng)控制方法，屬于電力 電子變換器控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各類電力電子裝置在化工、通信等領(lǐng)域得到了廣 泛應(yīng)用，運(yùn)類變換器可W根據(jù)輸入、輸出電壓之間大小關(guān)系進(jìn)行劃分，包括升壓型（或稱為 Boost型）、降壓型（或稱為Buck型）和升-降壓型。其中，升-降壓變換器能夠盡量縮小 輸入、輸出電壓之間的幅值差異，達(dá)到降低電壓應(yīng)力，提高系統(tǒng)效率的目的。
[0003] 目前，在具有升-降壓功能的單相變換器中，較為常見的是單管型，包括單管 buck-boost變換器、Sepic,W及化k變換器等，但運(yùn)些變換器的開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力， W及變換器的效率等指標(biāo)都不夠理想。鑒于此，能夠降低電壓、電流應(yīng)力，并提高系統(tǒng)效 率的雙管級聯(lián)型升-降壓變換器得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，具體包括Buck-Boost架構(gòu)和 Boost-Buck架構(gòu)兩種，如圖1所示。
[0004] 圖1所示的變換器都具有兩個(gè)開關(guān)管，根據(jù)開關(guān)管工作模式，可W將控制方案分 為兩大類： 陽00引 1)同步工作模式
[0006] 此模式下，兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)形式包括兩種：
[0007] a)雙電壓環(huán)、雙電流環(huán)方案。W圖1(b)所示變換器為例，它可視為具有級聯(lián)結(jié)構(gòu) 的兩級變換系統(tǒng)，為將輸出電壓穩(wěn)定在給定值，可W先將前級Boost變換器輸出電壓，即C_link兩端的電壓VdiJi定在一個(gè)較高的值上，再通過對后級Buck變換器的控制，將輸出電 壓V。穩(wěn)定在給定值?？刂剖疽鈭D如圖2所示，其中Vwt分別為中間級和輸出級電 壓參考值。 陽00引 b)單電壓環(huán)、雙電流環(huán)方案，如圖3所示，其中ifWU、分別為輸入電流和后 級變換器電感電流參考值。內(nèi)層電流控制器的輸出作為調(diào)制波，與兩路載波交截，并得到兩 個(gè)開關(guān)控制信號。
[0009] 。分時(shí)工作模式
[0010] 該模式下，兩個(gè)開關(guān)管不會(huì)同時(shí)工作在高頻狀態(tài)，控制回路可W根據(jù)輸入、輸出電 壓的大小關(guān)系，自動(dòng)切換開關(guān)管的工作狀態(tài)，確保變換器工作在boost模式，或者buck模 式。具體實(shí)現(xiàn)方式有=種：
[0011] a) -路載波調(diào)制方案，如圖4所示。該方案包括兩個(gè)控制環(huán)，外層電壓環(huán)，內(nèi)層電 流環(huán)，電壓控制器的輸出作為輸入側(cè)電感電流參考值。為得到兩個(gè)開關(guān)管的控制信號，采用 了兩路調(diào)制波方案，即電流控制器的輸出本身作為一路調(diào)制波，經(jīng)疊加一載波幅值相等后 得到第二路調(diào)制波，此二路調(diào)制波與同一路載波信號交截，最終得到兩路控制信號，并且保 證開關(guān)管不會(huì)同時(shí)工作在高頻狀態(tài)。
[0012] b)雙載波調(diào)制方案，如圖5所示。與圖4所示一路載波方案相比，該方案也需要采 樣輸出電壓、輸入電流，區(qū)別在于電流控制器的輸出作為唯一的調(diào)制波，然后與兩路具有不 同直流偏置量的載波信號交截，產(chǎn)生兩路控制信號。
[0013] C)升降壓階段不同電流控制法方案，如圖6所示。該方案同樣需要采樣輸出電壓、 輸入電流，不同的是運(yùn)里的控制方法是在比較變換器輸入電壓W及輸出電壓基礎(chǔ)上完成控 審IJ，而且升壓、降壓階段采用不同的電流控制方案：在輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，降壓變換 器開關(guān)管恒導(dǎo)通，采用平均電流控制方案，得到升壓變換器開關(guān)管的導(dǎo)通占空比；在輸入電 壓大于或者等于輸出電壓時(shí)，升壓變換器開關(guān)管恒關(guān)斷，采用電荷控制方案，得到降壓變換 器開關(guān)管的導(dǎo)通占空比。
[0014] 上述方案能將輸出電壓穩(wěn)定在給定值，但還存在如下問題：
[0015] 圖2方案下，中間級電容電壓必定高于輸出電壓，將增大開關(guān)管的電壓應(yīng)力；
[0016] 圖2、圖3所示方案下，變換器的兩個(gè)開關(guān)管始終工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，將顯著增 加系統(tǒng)損耗；
[0017] 圖3方案為S個(gè)環(huán)路的控制方案，控制器的設(shè)計(jì)將較為困難；
[001引圖4、圖5所示的方案下，升壓和降壓階段都采用的是平均電流控制方案，平均電 流控制對升壓階段的電流控制較為適合，但在降壓階段并非最佳選擇；
[0019] 圖6所示的方案能改善升壓、降壓階段的電流控制效果，有助于降低電感電流振 蕩和輸出電壓波動(dòng)，但無法從根本上消除工作模式切換導(dǎo)致的電感電流振蕩和輸出電壓波 動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種雙管型升降壓變換器的 MIT模型參考自適應(yīng)控制方法，采用雙環(huán)控制架構(gòu)，其中外環(huán)電壓環(huán)采用PI控制，內(nèi)環(huán)電流 環(huán)采用MIT模型參考自適應(yīng)控制（MIT MRAC)，且采用相同的參考模型。
[0021] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0022] 一種雙管型升降壓變換器的MIT模型參考自適應(yīng)控制方法，其特征在于：
[0023] 1)采用雙環(huán)控制架構(gòu)，其中，外環(huán)電壓環(huán)采用PI控制，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用MIT模型參 考自適應(yīng)控制；
[0024] 2)升壓階段、降壓階段的電流控制采用MIT模型參考自適應(yīng)控制，且采用相同的 參考模型，使升壓階段和降壓階段的電流環(huán)模型具有相同的動(dòng)靜態(tài)性能，消除模式切換導(dǎo) 致的系統(tǒng)非線性，避免電感電流振蕩和輸出電壓的波動(dòng)。
[0025]所述參考模型即Fm(S)，為提高電流跟蹤性能，F(xiàn)m(S)按式（1)進(jìn)行設(shè)計(jì)
[0026]
(1)
[0027] 其中，寫為阻尼系數(shù)，為固有角頻率，Z = 1/Td，寫d=寫+? n/(2z)為新定義 變量，Td為二階系統(tǒng)Fm(S)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。
[0028] 所述的雙管型升降壓變換器的MIT模型參考自適應(yīng)控制方法，具體是指：
[0029] (1)電壓外環(huán)：采樣輸出電壓V。，電壓給定值Vref與V。作差，然后對電壓誤差值進(jìn) 行比例積分運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果影響內(nèi)環(huán)電流參考的幅值；
[0030] (2)電流內(nèi)環(huán)： 陽0；31 ] 1)升壓階段：即當(dāng)輸入電壓瞬時(shí)值Vi。與輸出電壓瞬時(shí)值V。滿足V i/v。時(shí)，令S_ b。 恒導(dǎo)通，S_b。工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。
[0032] PI控制器的輸出信號與輸入電壓取樣值k"。? I Vi」相乘，相乘結(jié)果經(jīng)過參考 陽〇3引模型Fm(S)環(huán)節(jié)運(yùn)算處理得i*，i*先與采樣的電感電流求差，將誤差信號與 i*相乘，相乘結(jié)果再進(jìn)行Ui倍的增益處理，再進(jìn)行積分運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與初值k。(0) 1相加并 最后產(chǎn)生調(diào)制信號，調(diào)制信號與S角載波交截得到5_,。的驅(qū)動(dòng)信號。
[0034]2)降壓階段：即當(dāng)輸入電壓瞬時(shí)值Vm與輸出電壓瞬時(shí)值V。滿足V。時(shí)，令S_ b。恒關(guān)斷，S_bu工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。
[0035] PI控制器的輸出信號與輸入電壓取樣值k"。?IVi」相乘，相乘結(jié)果經(jīng)過參考模型 Fm(S)環(huán)節(jié)運(yùn)算處理得1*，1*先與采樣的電感電流！sample求差，將誤差信號再與i*相乘，相 乘結(jié)果再進(jìn)行％倍的增益處理，再進(jìn)行積分運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與初值k。(0) 2相加并最后產(chǎn)生 調(diào)制信號，調(diào)制信號與S角載波交截得到S_b。的驅(qū)動(dòng)信號。
[0036] 其中，叫，U2,k。(0)1，k。(0)2為常數(shù)，取值不必相等，不影響最終穩(wěn)態(tài)控制效果。
[0037] 所述的雙管型升降壓變換器的MIT模型參考自適應(yīng)控制方法，其特征在于：
[00測 （1)當(dāng)雙管型升降壓變換器為級聯(lián)型buck-boost拓?fù)鋾r(shí)，isample為iL;
[0039] 似當(dāng)雙管型升降壓變換器為級聯(lián)型boost-buck拓?fù)鋾r(shí)，isample為iL_b。。
[0040] 有益效果：本發(fā)明提供的采用MIT模型參考自適應(yīng)控制的雙管型升降壓變換器， 具有W下優(yōu)點(diǎn)：1、避免兩個(gè)開關(guān)管始終同時(shí)工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，有利于減小系統(tǒng)損耗； 2、電流環(huán)采用模型參考自適應(yīng)控制，可W保證電流環(huán)具有期望的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，即電流環(huán) 模型逼近Fm(S),實(shí)現(xiàn)電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能的精確可控；3、升、降壓階段電流環(huán)采用相同的參考 模型，可W消除工作模式切換前后因?yàn)殡娏鳝h(huán)模型差異導(dǎo)致的系統(tǒng)非線性，從而避免電感 電流振蕩，有效減小輸出電壓波動(dòng)。
【附圖說明】
[0041] 圖1為雙管型升降壓變換器電路拓?fù)鋱D；
[0042] 圖2為兩級式架構(gòu)控制方案圖；
[0043] 圖3為S控制器方案圖；
[0044] 圖4為一路載波調(diào)制方案圖； W45] 圖5為雙載波調(diào)制方案圖；
[0046] 圖6為升-降壓階段采用不同電流控制方案圖；
[0047] 圖7為本發(fā)明的升-降壓變換器控制方案圖；
[0048] 圖8為雙管型buck-boost變換器降壓階段等效拓?fù)洌?br>[0049] 圖9為雙管型buck-boost變換器升壓階段等效拓?fù)洌?br>[0050] 圖10為本發(fā)明針對buck-boost拓?fù)湓赽oost階段的控制示意圖；
[0051] 圖11為本發(fā)明針對buck-boost-拓?fù)湓赽uck階段的控制示意圖；
[0052] 圖12為本發(fā)明針對