基于扩张状态观测器的单电感...Buck变换器滑模解耦控制_皇金锋.pdf

第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月Vol.50，No.2Feb.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）基于扩张状态观测器的单电感双输出Buck变换器滑模解耦控制皇金锋，张世欣，杨艺（陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723001）摘 要：针对单电感双输出Buck变换器输出支路在发生负载扰动时存在交叉影响严重、瞬态响应慢的问题，提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）的滑模解耦控制策略.首先考虑负载扰动问题，将系统模型转化为输出电压偏差模型，设计了主路ESO对负载扰动进行估计，并将干扰估计信息补偿到主路开关管的改进型趋近律反步滑模控制器.其次考虑支路耦合问题，将一支路依据自抗扰范式拟合为独立系统，其中支路耦合项和外界扰动被视作总扰动，设计了支路ESO对其进行估计，基于干扰估计信息和滑模控制算法在支路开关管构造了滑模自抗扰控制器.最后利用Lyapunov理论证明了主、支路控制器的闭环稳定性.仿真结果表明，该控制策略使得支路间的交叉影响显著减小，并提升了系统瞬态响应速度.关键词：单电感双输出Buck变换器；扩张状态观测器；反步滑模控制；滑模自抗扰控制中图分类号：TM46 文献标志码：ASliding Mode Decoupling Control of Single Inductor Dual Output Buck Converter Based on Extended State ObserverHUANG Jinfeng，ZHANG Shixin，YANG Yi（School of Electrical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）Abstract：A sliding-mode decoupling control strategy based on an extended state observer（ESO）is proposed for the problem that the output branch of a single-inductor dual-output Buck converter suffers from severe crossover effects and slow transient response when load disturbances occur.Firstly，considering the load disturbance problem，the system model is transformed into the output voltage deviation model.And the main circuit ESO is designed to estimate the load disturbance and compensate the disturbance estimation information to the improved reaching-law backstepping sliding-mode controller of the main circuit switching tubes.Next，considering the branch circuit coupling problem，a branch circuit is fitted as an independent system based on the self-anti-disturbance paradigm，where the branch circuit coupling term and the external disturbance are regarded as the total disturbance.And the branch circuit ESO is designed to estimate it，and a sliding mode and active disturbance rejection controller is constructed in the branch circuit switching tube based on the disturbance estimation information and the sliding-mode control algorithm.Finally，the closed-loop stability of the main and branch circuit controllers is demonstrated 收稿日期：2022-03-24基金项目：陕西省自然科学基金资助项目（2023-JC-YB-442）；Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2023-JC-YB-442）作者简介：皇金锋（1978），男，陕西宝鸡人，陕西理工大学教授，博士 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）02-0138-12DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022250第 2 期皇金锋等：基于扩张状态观测器的单电感双输出Buck变换器滑模解耦控制using the Lyapunov theory.The simulation results show that the control strategy significantly reduces the cross-influence between the branches and improves the transient response speed of the system.Key words：single inductor dual output Buck converter；extended state observer；backstepping sliding mode control；sliding mode active disturbance rejection control随着便携式设备的发展，因其内部器件小型化、功能模块集成度高，人们对多路模块供电的方案越发 关 注，单 电 感 双 输 出（Single-Inductor Dual-Output，SIDO）变换器仅使用一个电感的情况下可以将一路输入电压转换为两路输出电压，因此采用SIDO 变换器供电具有减小体积和提高效率的优势1.相较于传统的单电感单输出变换器，SIDO变换器的主路及两支路均有独立的控制开关且支路间存在较复杂的耦合关系，当一条支路输出由于负载跳变而发生变化，电感向另一条支路提供的能量也会随之发生变化，这将会影响系统的稳定性，同时产生严重的交叉影响2-3.因此，如何优化控制策略进一步提高SIDO变换器的动态性能、减小交叉影响，目前已成为研究学者关注的热点4-5.SIDO变换器是一个时变非线性系统，工作在连续导电模式（Continuous Conduction Mode，CCM）时两条支路始终处于耦合状态，当输入电压、温度、负载及其他因素带来不确定性扰动时，会对系统性能产生严重影响.针对这种强耦合的非线性系统，采用非线性控制方法可以很好地提升系统动态性能和控制精度.目前，许多非线性控制被应用于单输入单输出变换器上，如反步法控制、自抗扰控制、滑模变结构控制等6-10.但关于SIDO变换器的非线性控制目前研究报道较少.滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）作为非线性控制的一种，由于抖振和输出误差问题而限制了其控制效果.扩张状态观测器（Extended State Observer，ESO）作为一种干扰估计技术，用于观测系统的状态变量和干扰量，并利用观测值在前馈通道进行补偿，可以很好地改善系统的性能.由于滑模的抖振问题也归因于扰动，因此将ESO与滑模相结合的方法可以弥补滑模控制存在的缺陷，进一步提升控制性能.文献 7 提出将ESO和滑模控制相结合的方法应用在Buck变换器上，提升了系统的响应速度和抗干扰能力；文献 8 在文献 7 的基础上提出一种应用于Buck变换器的降阶观测器结合滑模的控制方法，降低了ESO的增益，优化了噪声问题；文献 9提出将变速趋近律滑模结合扰动观测器应用在Buck变换器上，减少了控制参数并削弱了抖振.以上所述策略均能使低阶的单输入单输出系统具备良好的动态性能和抗扰能力，但应用在高阶多输出系统上，不仅增加了观测器的阶数，而且系统的耦合性也造成了控制算法复杂、参数难以整定的问题.自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Con-trol，ADRC）作为以ESO为核心的控制方法，不需要被控对象的精确模型，在复杂的高阶系统控制方面具有一定优势.文献 10 提出超扭曲滑模和 ADRC组成双闭环控制输出串联Boost变换器，通过ESO将未建模部分及内外扰动视为总扰动，利用外环PD控制器进行反向补偿，从而做到了对总扰动的整体消减；文献 11 提出对小型压水堆基于传递函数进行ADRC解耦控制，解决了压水堆稳压器压力和水位之间的耦合问题；文献 12 针对双旋翼矢量飞行器姿态间耦合严重、抗扰能力弱的问题，提出一种自抗扰解耦控制方法.根据文献 11、文献 12 可知，对于高阶多输出系统，ADRC可以将每个输入与输出相互对应，经过控制参数优化，输出之间的交叉影响（耦合）被当作独立控制回路的总扰动进行观测并整体抵消，因此ADRC具有天然的解耦性.综上所述，将ESO与滑模控制相结合同时引入ADRC进行解耦的控制思想，符合SIDO变换器非线性、支路耦合的特性.为了进一步提高SIDO变换器的动态性能，减小支路间的交叉影响.本文以CCM SIDO Buck变换器为对象提出了一种基于ESO的滑模解耦控制策略.针对支路间存在的耦合性，采用主路ESO估计负载扰动并补偿给反步滑模控制器（Backstepping Sliding Mode Control，BSMC），并结合改进型趋近律优化滑模的抖振问题和抗扰能力，以减少a支路受到支路间负载突变带来的影响；对b支路使用滑模自抗扰控制器（Sliding Mode and Active Disturbance Rejection Control，SM-ADRC）进行独立控制，消除了b支路模型中支路耦合项与内外干扰组成的总扰动，同时进一步减少了b支路扰动对a支路的交叉影响.最后，仿真验证了控制算法的有效性.139湖南大学学报（自然科学版）2023 年1 CCM SIDO Buck变换器建模SIDO Buck 变换器的电路拓扑如图 1 所示.其中，Vin为输入电压，VTi为主路功率开关管，VTa和VTb为支路功率开关管，L为主路电感，iL为电感电流，VD为续流二极管，Ra、Rb为两支路的负载等效电阻，Ca、Cb为实际输出电容，di、da和db分别为驱动功率开关管VTi、VTa和VTb的占空比.由图1可推导出SIDO Buck变换器的状态空间平均模型为：|diLdt=-1-dbLvoa-dbLvob+diLVindvoadt=1-dbCaiL-1RaCavoadvobdt=dbCbiL-1RbCbvob（1）式中，voa、vob为两支路输出电压暂态值，当变换器工作于CCM时，两支路占空比互补即满足：da+db=1.根据文献 13 可知，CCM SIDO Buck 变换器两支路输出电压稳态值Voa、Vob的表达式为13：|Voa=di()1-dbRaVin()1-db2Ra+d2bRbVob=didbRbVin()1-db2Ra+d2bRb（2）分析式（2）可知，两支路输出电压与主、支路的占空比、两支路负载均有关系.当其中一支路负载值改变时，另一支路输出电