專利名稱：Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法。
背景技術(shù)：
采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)的Buck變換器，是一種強(qiáng)非線性系統(tǒng)。一方面，Buck變換器中主開關(guān)器件的不同狀態(tài)使Buck變換器工作于不同的拓?fù)洌涣硪环矫?，Buck變換器又存在兩種工作模式:電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷續(xù)模式(DCM)。而在傳統(tǒng)控制方法的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)兩種工作模式分別建模，一是造成了 Buck變換器控制方法設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，二是Buck變換器不能同時(shí)工作于兩種工作模式(CCM和DCM)，即很難在大負(fù)載變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。從本質(zhì)上講，Buck變換器是一種典型的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)存在離散和連續(xù)兩個(gè)子系統(tǒng)。對(duì)于混雜系統(tǒng)模型的建立，目前常用方法中有混雜自動(dòng)機(jī)模型，混雜自動(dòng)機(jī)是混雜系統(tǒng)的一個(gè)形式化模型，由Alur等人在1993年提出(R.Alur, C.Courcoubetis,T.A.Henzinger and P.H.H0.Hybrid Automata: An Algorithmic Approach to theSpecification and Verification of Hybrid System[C].Lecture Notes in ComputerScience.LNCS 736，Springer-Verlag, 1993，209-229.)，以其對(duì)離散和連續(xù)混雜特性描述的直觀性、可驗(yàn)證性，日益為人們所接受。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在上述不足，提供Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，具體技術(shù)方案如下。

Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，包括如下步驟:(I)建立能同時(shí)工作于電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷續(xù)模式(DCM)的Buck變換器的混雜自動(dòng)機(jī)模型；(2)計(jì)算出基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制邊界值:I。AiL/2, I1^Pvx，其中Il為Buck變換器中電感電流的平均值，Λ k為CCM下電感的紋波電流值，Ip為DCM下電感電流的峰值，Vx為輸出電壓平均值與DCM下模態(tài)3中輸出電壓最小值的差值；(3)通過邏輯判斷，確定Buck變換器的工作模式:若IJ Λ k/2，則Buck變換器工作于CCM，反之，則工作于DCM ；(4)根據(jù)狀態(tài)變量與由DSP控制計(jì)算出的邊界條件的比較結(jié)果，輸出主電路開關(guān)管的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主電路工作。進(jìn)一步的,上述的Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法中，當(dāng)Buck變換器工作于CCM時(shí)，Buck變換器在Q1和q2兩種狀態(tài)之間來回切換，若Buck變換器中電感電流k大于或等于IJ Δ iL/2時(shí)，則由DSP輸出控制信號(hào)使Buck變換器開關(guān)關(guān)斷，Buck變換器由模態(tài)I (Q1)切換至模態(tài)2 (q2);若電感電流L小于或等于Λ V2時(shí)，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)導(dǎo)通，Buck變換器由模態(tài)2 (q2)切換至模態(tài)I (qi)。 進(jìn)一步的,上述的Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法中，當(dāng)Buck變換器工作于DCM時(shí)，Buck變換器在q1、q2和q3三種狀態(tài)之間按順序來回進(jìn)行切換，若Buck變換器中電感電流k大于或等于Ip時(shí)，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)關(guān)斷，Buck變換器由模態(tài)I (Q1)切換至模態(tài)2 (q2);若Buck變換器中電感電流k等于0，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)關(guān)斷，Buck變換器由模態(tài)2 Cq2)切換至模態(tài)3 Cq3);若Buck變換器輸出端電壓V0小于或等于參考電壓值V。即期望得到的電壓值減去Vx，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)導(dǎo)通，Buck變換器由模態(tài)3 (q3)切換至模態(tài)I (qi)。進(jìn)一步的，上 述的Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法中，步驟(I)所述混雜自動(dòng)機(jī)模型包括離散過程和連續(xù)過程，其中離散過程是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，能根據(jù)連續(xù)過程的連續(xù)狀態(tài)信號(hào)^和V。來控制離散過程中不同狀態(tài)之間的切換，而連續(xù)過程則接收離散過程的輸出S來激活相應(yīng)的連續(xù)過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了 Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，使Buck變換器能同時(shí)工作于CCM和DCM，且使Buck變換器的穩(wěn)態(tài)開關(guān)頻率不會(huì)隨著負(fù)載的跳變而發(fā)生變化的混雜控制方法。該混雜控制方法將控制問題簡化為邊界計(jì)算和選擇問題，使Buck變換器在大負(fù)載變化范圍內(nèi)均能正常工作，具有算法簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。


圖1為Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜自動(dòng)機(jī)模型。圖2為Buck變換器工作于CCM的電感電流和輸出電壓波形。圖3為Buck變換器工作于DCM的電感電流和輸出電壓波形。圖4為DSP控制邏輯流程圖。圖5為負(fù)載跳變時(shí)Buck變換器的混雜控制結(jié)果仿真圖。圖6為圖5在t=0.0ls時(shí)的局部放大仿真圖。圖7為輸入擾動(dòng)時(shí)Buck變換器的混雜控制結(jié)果仿真圖。具體實(shí)施方法下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。Buck變換器是一個(gè)離散和連續(xù)相互交替、相互作用的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分解成連續(xù)變量動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)和離散動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)，連續(xù)變量子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性隨時(shí)間發(fā)展不斷演化，離散事件子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化受事件的驅(qū)動(dòng)，二者相互作用，交替進(jìn)行，在整體上呈現(xiàn)離散位置的遷移，局部上呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)的漸進(jìn)演化，形成統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)開關(guān)和二極管的導(dǎo)通情況，Buck變換器有三種工作狀態(tài)，Q1:開關(guān)導(dǎo)通，二極管截止，即模態(tài)I ;q2:開關(guān)截止，二極管導(dǎo)通，即模態(tài)2 ；q3:開關(guān)和二極管都截止，即模態(tài)3。Buck變換器的具體工作狀態(tài)由基于恒定開關(guān)頻率的混雜自動(dòng)機(jī)模型的邊界條件來確定，參考圖1為Buck變換器的混雜自動(dòng)機(jī)模型。圖中，X為連續(xù)狀態(tài)變量(X= (iu V。)1，其中k為Buck變換器主電路中電感電流的瞬時(shí)值，V。為輸出電壓的瞬時(shí)值);X為Buck變換器的連續(xù)
狀態(tài)空間；Ii (i e I, 2，3)為每一Aqi下，X的不變集合；4(>) = /(^(>))=^^0) +凡為Buck變換器第i個(gè)工作狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程:當(dāng)i=l時(shí)，對(duì)應(yīng)于q1;其中
權(quán)利要求
1.Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，其特征在于包括如下步驟: (1)建立能同時(shí)工作于電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷續(xù)模式(DCM)的Buck變換器的混雜自動(dòng)機(jī)模型； (2)計(jì)算出基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制邊界值-JL、Λ八/2、Jp和匕，其中Tl為Buck變換器中電感電流的平均值，Λ八為CCM下電感的紋波電流值，Ip為DCM下電感電流的峰值，為輸出電壓平均值與DCM下模態(tài)3中輸出電壓最小值的差值； (3)通過邏輯判斷，確定Buck變換器的工作模式:若IL>ML/2,mBuck變換器工作于CCM，反之，則工作于DCM ； (4)根據(jù)狀態(tài)變量與由DSP控制計(jì)算出的邊界條件的比較結(jié)果，輸出主電路開關(guān)管的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主電路工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，其特征在于: 當(dāng)Buck變換器工作于CCM時(shí)，Buck變換器在Q1和q2兩種狀態(tài)之間來回切換，若Buck變換器中電感電流八大于或等于Zl+Λ八/2時(shí)，則由DSP輸出控制信號(hào)使Buck變換器開關(guān)關(guān)斷，Buck變換器由模態(tài)1(<7ι)切換至模態(tài)2 (%);若電感電流八小于或等于ΛτΔ』'ι/2時(shí)，則由DSP輸出控制 信號(hào)使開關(guān)導(dǎo)通，Buck變換器由模態(tài)2 Q2)切換至模態(tài)I (&)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，其特征在于:當(dāng)Buck變換器工作于DCM時(shí)，Buck變換器在ChW2和％三種狀態(tài)之間按順序來回進(jìn)行切換，若Buck變換器中電感電流八大于或等于Iv時(shí)，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)關(guān)斷，Buck變換器由模態(tài)I (仏)切換至模態(tài)2 (%);若Buck變換器中電感電流八等于O，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)關(guān)斷，Buck變換器由模態(tài)2 Q2)切換至模態(tài)3 (%);若Buck變換器輸出端電壓^小于或等于參考電壓值K。即期望得到的電壓值減去Kr，則由DSP輸出控制信號(hào)使開關(guān)導(dǎo)通，Buck變換器由模態(tài)3 (%)切換至模態(tài)I (仏)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，其特征在于步驟(I)所述混雜自動(dòng)機(jī)模型包括離散過程和連續(xù)過程，其中離散過程是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，能根據(jù)連續(xù)過程的連續(xù)狀態(tài)信號(hào)八和K來控制離散過程中不同狀態(tài)之間的切換，而連續(xù)過程則接收離散過程的輸出V來激活相應(yīng)的連續(xù)過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了Buck變換器的基于恒定開關(guān)頻率的混雜控制方法，該方法包括以下步驟建立Buck變換器的混雜自動(dòng)機(jī)模型；根據(jù)Buck變換器主電路的輸入電壓、負(fù)載電阻、已確定的開關(guān)頻率f和輸出電壓期望值計(jì)算混雜控制方法的邊界條件，并判斷Buck變換器的具體工作模式電感電流連續(xù)模式或者電感電流斷續(xù)模式；根據(jù)狀態(tài)變量與邊界條件的比較結(jié)果，由DSP輸出主電路開關(guān)管的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主電路工作。本發(fā)明使控制問題簡化為邊界選擇問題，算法簡單，能使Buck變換器同時(shí)工作于CCM和DCM，且Buck變換器的穩(wěn)態(tài)開關(guān)頻率不會(huì)隨著負(fù)載的跳變而發(fā)生變化，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/10GK103178710SQ201210545490
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者王學(xué)梅, 余泉, 張波 申請人:華南理工大學(xué)