本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

Buck-Boost變換器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入電壓范圍寬、可實(shí)現(xiàn)升降壓控制、輸入電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。然而該變換器因?qū)僮兘Y(jié)構(gòu)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，在一定條件下會(huì)發(fā)生分岔與混沌現(xiàn)象，并產(chǎn)生高幅度的電磁噪聲及振蕩加劇等不穩(wěn)定行為，嚴(yán)重影響變換器工作的穩(wěn)定性與可靠性。因此有必要針對(duì)Buck-Boost變換器研究有效的控制方法，使其在發(fā)生不穩(wěn)定行為時(shí)能恢復(fù)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

目前，針對(duì)Buck-Boost變換器的穩(wěn)定性控制已開展了一些研究工作，提出了諸如OGY控制法、參數(shù)共振微擾法等控制方法。這些方法對(duì)于抑制Buck-Boost變換器的分岔與混沌現(xiàn)象雖然起到了一定的控制效果，但均存在不同程度的不足，如OGY控制法的系統(tǒng)模型較為復(fù)雜；而參數(shù)共振微擾法則難以確定控制的擾動(dòng)參數(shù)，因而難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用等。因此針對(duì)Buck-Boost變換器存在的不穩(wěn)定行為研究更為有效的穩(wěn)定性控制方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制方法及裝置。

本發(fā)明提供一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制方法。該方法的具體步驟包括：

步驟1：根據(jù)Buck-Boost變換器的主電路結(jié)構(gòu)建立其狀態(tài)微分方程；

步驟2：根據(jù)輸出延時(shí)反饋控制原理，對(duì)變換器中電感的初始參考電流進(jìn)行修正，得到電感新參考電流的解析表達(dá)式：

式中：I_ref為電感初始參考電流，T為變換器中功率開關(guān)的開關(guān)周期，k為反饋系數(shù)，u_C(t)為電容電壓，u_C(t-T)為延遲時(shí)間T后的電容電壓。

步驟3：根據(jù)上述狀態(tài)微分方程的解和新參考電流表達(dá)式，得到系統(tǒng)的離散迭代映射模型；

步驟4：根據(jù)上述離散迭代映射模型，通過(guò)數(shù)值仿真確定變換器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)上述新參考電流表達(dá)式中反饋系數(shù)的具體取值；

步驟5：根據(jù)上述新參考電流表達(dá)式得到變換器中功率開關(guān)的占空比，根據(jù)該占空比控制變換器中功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即可有效抑制或消除Buck-Boost變換器運(yùn)行中出現(xiàn)的分岔與混沌現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)變換器的穩(wěn)定運(yùn)行。

所述步驟3中，獲取系統(tǒng)的離散迭代映射模型，具體包括：

對(duì)Buck-Boost變換器的狀態(tài)微分方程求解，得到其電感電流i_L和電容電壓u_C的解析表達(dá)式；

針對(duì)電容電壓在連續(xù)兩個(gè)開關(guān)周期的對(duì)應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行采樣，設(shè)其采樣值分別為u_n和u_n-1，根據(jù)該采樣值計(jì)算得到相應(yīng)的電感新參考電流值I_n′及電流邊界值I_b(n)，分別如式(2)和式(3)所示：

式中：I′_n為電感在第n個(gè)開關(guān)周期的新參考電流值，I_b(n)為電感在第n個(gè)開關(guān)周期的電流邊界值。

根據(jù)電感電流在第n個(gè)開關(guān)周期的采樣值i_n與相應(yīng)的電流邊界值I_b(n)間的關(guān)系，并由狀態(tài)微分方程的解得到電感電流和電容電壓的迭代關(guān)系為：

情況1：如果i_n<I_b(n)，則變換器中功率開關(guān)在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的迭代關(guān)系式為：

式中：U_in為Buck-Boost變換器的輸入電源電壓，L為電感，C為電容，R為負(fù)載電阻。

情況2：如果i_n≥I_b(n)，則變換器中的功率開關(guān)在開關(guān)周期的前d_nT時(shí)間內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，在后(1-d_n)T時(shí)間內(nèi)處于關(guān)斷狀態(tài)，d_n為變換器中功率開關(guān)在第n個(gè)開關(guān)周期的占空比，此時(shí)的迭代關(guān)系式為：

式中：

由式(4)、(5)即構(gòu)成了系統(tǒng)的離散迭代映射模型。

所述步驟4中，確定反饋系數(shù)所用的數(shù)值仿真方法，包括如下步驟：

步驟(4-1)：設(shè)置仿真參數(shù)；包括：電源電壓U_in、Buck-Boost變換器的主電路參數(shù)電感L和電容C、負(fù)載電阻R、反饋系數(shù)增量Δk、最大迭代次數(shù)N、開關(guān)周期T以及電感電流i_n、電容電壓u_n、參考電流I_ref、反饋系數(shù)k的初始值；

步驟(4-2)；設(shè)置迭代次數(shù)n的初始值；

步驟(4-3)：計(jì)算采樣時(shí)刻電感的新參考電流值

步驟(4-4)：計(jì)算采樣時(shí)刻電感電流的邊界值

步驟(4-5)：判斷電感電流的采樣值i_n是否小于邊界值I_b(n)，若是則按式(4)計(jì)算下一采樣時(shí)刻的電感電流i_n+1和電容電壓u_n+1，否則按式(5)計(jì)算；

步驟(4-6)：迭代次數(shù)n加1；

步驟(4-7)：判斷n是否小于最大迭代次數(shù)N，若是則返回步驟(4-3)，否則執(zhí)行步驟(4-8)；

步驟(4-8)：判斷系統(tǒng)的輸出響應(yīng)i_N和u_N是否與i_N-1和u_N-1相等，若是則結(jié)束仿真并輸出此時(shí)的反饋系數(shù)值，否則反饋系數(shù)增加Δk，然后返回步驟(4-2)。

所述步驟5中，得到電感新參考電流的具體表達(dá)式后，即可得到變換器中功率開關(guān)的占空比。分兩種情況：

如果i_n<I_b(n)，則占空比為：d_n＝1；

如果i_n≥I_b(n)，則占空比為：

根據(jù)上述占空比控制所述Buck-Boost變換器中功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所述Buck-Boost變換器的穩(wěn)定性控制。

本發(fā)明的第二方面，提供了一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制裝置。所述控制裝置包括：微處理器、電容電壓檢測(cè)模塊、電感電流檢測(cè)模塊、預(yù)處理模塊Ⅰ、預(yù)處理模塊Ⅱ、輸入模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、顯示器以及直流穩(wěn)壓電源。

所述微處理器分別與所述預(yù)處理模塊Ⅰ、預(yù)處理模塊Ⅱ、輸入模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊及顯示器相連。

所述微處理器，用于建立所述Buck-Boost變換器的狀態(tài)微分方程；根據(jù)輸出延時(shí)反饋控制原理，對(duì)變換器中電感初始參考電流進(jìn)行修正，得到電感新參考電流的解析表達(dá)式；根據(jù)上述狀態(tài)微分方程的解和新參考電流表達(dá)式，得到系統(tǒng)的離散迭代映射模型；根據(jù)該離散迭代映射模型，通過(guò)數(shù)值仿真得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)上述新參考電流表達(dá)式中反饋系數(shù)的具體取值；最后根據(jù)新參考電流表達(dá)式得到變換器中功率開關(guān)的占空比，根據(jù)該占空比控制Buck-Boost變換器中功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Buck-Boost變換器實(shí)施穩(wěn)定性控制。

所述電容電壓檢測(cè)模塊用于檢測(cè)所述Buck-Boost變換器中的電容電壓值。

所述電感電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)所述Buck-Boost變換器中的電感電流值。

所述預(yù)處理模塊Ⅰ與電容電壓檢測(cè)模塊相連，所述預(yù)處理模塊Ⅰ用于對(duì)電容電壓檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，使其滿足微處理器對(duì)輸入信號(hào)的要求。

所述預(yù)處理模塊Ⅱ與電感電流檢測(cè)模塊相連，所述預(yù)處理模塊Ⅱ用于對(duì)電感電流檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，使其滿足微處理器對(duì)輸入信號(hào)的要求。

所述輸入模塊用于給微處理器輸入相關(guān)參數(shù)。

所述顯示器用于顯示相關(guān)參數(shù)與信號(hào)波形。

所述輸出驅(qū)動(dòng)模塊用于將微處理器輸出的控制信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)Buck-Boost變換器中的功率開關(guān)。

所述直流穩(wěn)壓電源，用于為控制裝置的各功能模塊提供工作電源。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明Buck-Boost變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2為本發(fā)明提供的一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制方法流程圖

圖3為本發(fā)明提供的一種確定電感新參考電流表達(dá)式中反饋系數(shù)k具體取值的數(shù)值仿真流程圖

圖4為本發(fā)明提供的一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制裝置結(jié)構(gòu)框圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步具體的說(shuō)明。

參見圖1，為本發(fā)明Buck-Boost變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該變換器包括直流電源U_in、功率開關(guān)T、電感L、電容C、二極管D和負(fù)載電阻R。

參見圖2，為本發(fā)明提供的一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制方法流程圖。所述方法包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)Buck-Boost變換器的主電路結(jié)構(gòu)建立其狀態(tài)微分方程；

步驟2：根據(jù)輸出延時(shí)反饋控制原理，對(duì)變換器中電感初始參考電流進(jìn)行修正，得到電感新參考電流的解析表達(dá)式；

步驟3：根據(jù)上述狀態(tài)微分方程的解和新參考電流表達(dá)式，得到系統(tǒng)的離散時(shí)間迭代映射模型；

步驟4：根據(jù)上述離散時(shí)間迭代映射模型，通過(guò)數(shù)值仿真確定變換器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)上述新參考電流關(guān)系式中反饋系數(shù)的具體取值；

步驟5：根據(jù)上述新參考電流表達(dá)式得到變換器中功率開關(guān)的占空比，根據(jù)該占空比控制變換器中功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即可有效抑制或消除Buck-Boost變換器運(yùn)行中出現(xiàn)的分岔與混沌現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)變換器的穩(wěn)定運(yùn)行。

所述步驟1中，建立所述Buck-Boost變換器的狀態(tài)微分方程，具體包括：

首先，在建立所述Buck-Boost變換器的狀態(tài)微分方程時(shí)，作如下假設(shè)：將所述Buck-Boost變換器中所有電路元器件均視為理想器件，輸入電源視為理想直流穩(wěn)壓電源；所述電路元器件包括：功率開關(guān)管、二極管、電感、電容及負(fù)載電阻。

以Buck-Boost變換器中的電感電流i_L和電容電壓u_C作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，根據(jù)該變換器中功率開關(guān)處于導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，并基于基爾霍夫定律建立其狀態(tài)微分方程，分別如式(1)、式(2)所示：

式中：為系統(tǒng)狀態(tài)向量，U_in為Buck-Boost變換器的輸入電源電壓，L為電感，C為電容，R為負(fù)載電阻。

所述步驟2中，根據(jù)輸出延遲反饋控制原理，對(duì)Buck-Boost變換器中電感的初始參考電流進(jìn)行修正，得到電感新參考電流的解析表達(dá)式，為：

式中：I_ref為電感初始參考電流，T為變換器中功率開關(guān)的開關(guān)周期，k為反饋系數(shù)，u_C(t)為電容電壓，u_C(t-T)為延遲時(shí)間T后的電容電壓。

所述步驟3中，得到系統(tǒng)的離散時(shí)間迭代映射模型，具體包括：

首先對(duì)Buck-Boost變換器的狀態(tài)微分方程(1)、(2)求解，得到其解分別如式(4)、式(5)所示：

式中：φ_j(t)為A_j的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

根據(jù)拉普拉斯變換法，求得其狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣φ_j(t)為：

式中：

再針對(duì)電容電壓在任意連續(xù)兩個(gè)開關(guān)周期的對(duì)應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行采樣，設(shè)其采樣值分別為u_n和u_n-1，根據(jù)該采用值計(jì)算得到相應(yīng)的電感新參考電流值I_n′及電流邊界值I_b(n)，分別如式(8)和式(9)所示：

式中：I′_n為電感在第n個(gè)開關(guān)周期的新參考電流值，I_b(n)為電感第n個(gè)開關(guān)周期的電流邊界值。

根據(jù)電感電流在第n個(gè)開關(guān)周期的采樣值i_n與其對(duì)應(yīng)的電流邊界值I_b(n)間的關(guān)系，并由狀態(tài)微分方程的解得到電感電流和電容電壓的迭代關(guān)系為：

情況1：如果i_n<I_b(n)，則變換器中功率開關(guān)在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)T內(nèi)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)有t₀＝nT，t₁＝(n+1)T，則由式(4)得：

情況2：如果i_n≥I_b(n)，則變換器中功率開關(guān)在開關(guān)周期T中的前d_nT時(shí)間內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，在后(1-d_n)T時(shí)間內(nèi)處于關(guān)斷狀態(tài)，d_n為變換器中功率開關(guān)在第n個(gè)開關(guān)周期的占空比，將t₀＝nT，t₁＝nT+d_nT，t₂＝(n+1)T代入式(5)得：

式中：

由式(10)、(11)即構(gòu)成了系統(tǒng)的離散迭代映射模型。

所述步驟4的實(shí)現(xiàn)方式：

參見圖3，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種確定電感新參考電流表達(dá)式中反饋系數(shù)k具體取值的數(shù)值仿真流程圖。具體步驟如下：

步驟(4-1)：設(shè)置仿真參數(shù)；包括：電源電壓U_in、Buck-Boost變換器的主電路參數(shù)電感L和電容C、負(fù)載電阻R、反饋系數(shù)增量Δk、最大迭代次數(shù)N、開關(guān)周期T以及電感電流i_n、電容電壓u_n、參考電流I_ref、反饋系數(shù)k的初始值；

步驟(4-2)；設(shè)置迭代次數(shù)n的初始值；

步驟(4-3)：計(jì)算采樣時(shí)刻電感的新參考電流值

步驟(4-4)：計(jì)算采樣時(shí)刻電感電流的邊界值

步驟(4-5)：判斷電感電流的采樣值i_n是否小于邊界值I_b(n)，若是則按式(10)計(jì)算下一采樣時(shí)刻的電感電流i_n+1和電容電壓u_n+1，否則按式(11)計(jì)算；

步驟(4-6)：迭代次數(shù)n加1；

步驟(4-7)：判斷n是否小于最大迭代次數(shù)N，若是則返回步驟(4-3)，否則執(zhí)行步驟(4-8)；

步驟(4-8)：判斷系統(tǒng)的輸出響應(yīng)i_N和u_N是否與i_N-1和u_N-1相等，若是則結(jié)束仿真并輸出此時(shí)的反饋系數(shù)值，否則反饋系數(shù)增加Δk，然后返回步驟(4-2)。

所述步驟5的實(shí)現(xiàn)方式，具體為：

確定反饋系數(shù)的具體取值后，可得到電感新參考電流的具體表達(dá)式，由此可得到變換器中功率開關(guān)的占空比。分兩種情況：

如果i_n<I_b(n)，則變換器中功率開關(guān)在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的占空比為：d_n＝1；

如果i_n≥I_b(n)，則變換器中的功率開關(guān)在開關(guān)周期中的前d_nT時(shí)間內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，在后(1-d_n)T時(shí)間內(nèi)處于關(guān)斷狀態(tài)。

在這種情況下，當(dāng)變換器中的功率開關(guān)在前d_nT時(shí)間內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)有：

對(duì)(12)兩邊積分，整理后得(C為常數(shù))，假設(shè)電感在第n個(gè)采樣點(diǎn)的電流為i_n，經(jīng)過(guò)d_nT時(shí)間后電感電流達(dá)到新參考電流值I′_n，由此可得：

對(duì)式(13)求解得到變換器中功率開關(guān)的占空比為：

根據(jù)上述占空比控制所述Buck-Boost變換器中功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所述Buck-Boost變換器的穩(wěn)定性控制。

本發(fā)明實(shí)施例還提供一種Buck-Boost變換器穩(wěn)定性控制裝置，該裝置包括：微處理器、電容電壓檢測(cè)模塊、電感電流檢測(cè)模塊、預(yù)處理模塊Ⅰ、預(yù)處理模塊Ⅱ、輸入模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、顯示器以及直流穩(wěn)壓電源。

所述微處理器分別與所述預(yù)處理模塊Ⅰ、預(yù)處理模塊Ⅱ、輸入模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊及顯示器相連。

所述微處理器，用于建立所述Buck-Boost變換器的狀態(tài)微分方程；根據(jù)輸出延時(shí)反饋控制原理，對(duì)變換器中電感初始參考電流進(jìn)行修正，得到電感新參考電流的解析表達(dá)式；根據(jù)上述狀態(tài)微分方程的解和新參考電流表達(dá)式，得到系統(tǒng)的離散迭代映射模型；根據(jù)該離散迭代映射模型，通過(guò)數(shù)值仿真得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)上述新參考電流表達(dá)式中反饋系數(shù)的具體取值；最后根據(jù)新參考電流表達(dá)式得到變換器中功率開關(guān)的占空比，根據(jù)該占空比控制Buck-Boost變換器中功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Buck-Boost變換器實(shí)施穩(wěn)定性控制。

所述電容電壓檢測(cè)模塊用于檢測(cè)所述Buck-Boost變換器中的電容電壓值。

所述電感電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)所述Buck-Boost變換器中的電感電流值。

所述預(yù)處理模塊Ⅰ與電容電壓檢測(cè)模塊相連，所述預(yù)處理模塊Ⅰ用于對(duì)電容電壓檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，使其滿足微處理器對(duì)輸入信號(hào)的要求。

所述預(yù)處理模塊Ⅱ與電感電流檢測(cè)模塊相連，所述預(yù)處理模塊Ⅱ用于對(duì)電感電流檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，使其滿足微處理器對(duì)輸入信號(hào)的要求。

所述輸入模塊用于給微處理器輸入相關(guān)參數(shù)。

所述顯示器用于顯示相關(guān)參數(shù)與信號(hào)波形。

所述輸出驅(qū)動(dòng)模塊用于將微處理器輸出的控制信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)Buck-Boost變換器中的功率開關(guān)。

所述直流穩(wěn)壓電源，用于為控制裝置的各功能模塊提供工作電源。