本发明涉及一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，该方法在dc-dc变换电路控制系统中引入自抗扰观测器，起到降低低充电总电流纹波，抑制直流母线电压波动的作用。
背景技术：
高频电源作为一种dc-dc电源设备，向着数字化、集成化、大功率化不断发展。随着电子技术的发展，采用plc、dsp等高性能控制芯片为核心的控制系统成为当今主流，对这些控制芯片数字化程度高、集成度高、运行速度快、成本低廉，为高频电源高效工作提供了有力保证。在控制系统方面，利用pi控制、自适应控制、滑模控制等理论构建的软件控制系统是实现高频电源的高效控制，保证电源正常运行提高电源工作性能的有力保障，但不同控制算法由各自有优缺点，限制了上述控制算法的推广应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，解决因为dc-dc电源供电非线性、间歇性，导致工作在buck模式下的dc-dc变换电路充电总电流纹波较大、直流母线电压易受波动和冲击的问题，对电流观测器进行改进，设计一种自抗扰观测器，并应用到两相并联dc-dc变换电路移相均流控制策略中，对系统存在的扰动进行估算并将误差电压反馈至输入侧抵消外部扰动带来的影响。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，包括以下步骤：
1)定义高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感、桥臂侧电容动态特性表达式；
2)根据步骤1)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感、桥臂侧电容动态特性表达式得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程；
3)将步骤2)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程进行离散化处理，得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程；
4)根据步骤3)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程，构建含有：微分信号跟踪模块、状态观测器模块、非线性反馈控制模块的自抗扰观测器；
5)将步骤4)得到的自抗扰观测器加入到高频dc-dc变换电路电流控制系统中，起到提高高频dc-dc电路稳定性和抑制直流母线电压波动的作用。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：以高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路a相为例，定义高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感特性表达式：
其中：un为逆变电路输出端a到中性点n的电压值；lf为滤波电感；if为桥臂侧电感电流；r为电感寄生电阻；uc为桥臂侧电容电压；
桥臂侧电容动态特性表达式：
其中：cf为滤波电容；i0为流过负载电阻r0的电流。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感、桥臂侧电容动态特性表达式得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程：
其中：
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程进行离散化处理，得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程：
其中：ts为系统采样周期，a*、
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程，构建含有：微分信号跟踪模块、状态观测器模块、非线性反馈控制模块的自抗扰观测器；
(1)微分信号跟踪模块，微分信号跟踪模块的是为了提取两相参考指令电流
其中：x1(k)为参考指令电流的跟踪信号，x2(k)为参考指令电流的微分信号；t为采样周期；g[x1(k)，x2(k)，l，m]为最优控制函数；l为速度参数，取l＝15；m为滤波参数；
(2)状态观测器模块，状态观测器模块的作用是跟踪两相实际电流il1和il2，此外，还能估测出系统扰动量，状态观测器模块在离散状态下的表达式写成：
其中：y1(k)为电流il1的跟踪值；y2(k)电流il2的微分值；y3(k)为扰动值；β1、β2、β3为函数h内部参数，当参数在0到1范围内时，函数h误差较小、增益较大；α1、α2、α3为状态观测器模块参数，其中：α1、α2、影响状态量的观测值，α3影响扰动量的观测值；δ为函数h的选择区间域；
(3)非线性反馈控制模块，非线性反馈控制模块的主要作用是将微分信号跟踪模块的输出x1、x2和状态观测器模块y1、y2的差值e1、e2进行非线性组合，生成控制量，实现不积分就能完成无静差控制的结果，非线性反馈控制模块在离散状态下的表达式写成：
其中：ε1、ε2为非线性函数h的内部参数；非线性函数h的可调参数k1＝500、k2＝20。
本发明进一步的改进在于，取m＝0.5。
本发明进一步的改进在于，取β1＝0.25、β2＝0.5、β3＝0.75，α1＜α2＜α3，且α1＝10、α2＝20、α3＝30，取δ＝0.0001。
本发明进一步的改进在于，取ε1＝0.5、ε2＝0.25。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤4)得到的自抗扰观测器加入到高频dc-dc变换电路电流控制系统中，起到提高高频dc-dc电路稳定性和抑制直流母线电压波动的作用，通过控制两相电感电流来间接控制储能单元的充电总电流，进而抑制直流母线电压波动对系统造成的影响，提高系统的抗干扰性能。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，可以解决工作在buck模式下的dc-dc变换电路充电总电流纹波较大、直流母线电压易受波动和冲击的问题。
2.本发明对电流观测器进行改进，设计一种自抗扰观测器，并应用到两相并联dc-dc变换电路移相均流控制策略中，对系统存在的扰动进行估算并将误差电压反馈至输入侧抵消外部扰动带来的影响。
附图说明
图1为高频电源dc-dc电路拓扑总体结构；
图2为含有自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制框图；
图3为高频电源控制系统仿真模型；
图4为直流母线电压动态响应波形；
图5为充电总电流动态响应波形。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，以高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路a相为例，桥臂侧电感动态特性表达式写成：
式(2)中：un为逆变电路输出端a到中性点n的电压值；lf为滤波电感；if为桥臂侧电感电流；r为电感寄生电阻；uc为桥臂侧电容电压。
桥臂侧电容动态特性表达式为：
式(2)中：cf为滤波电容；i0为流过负载电阻r0的电流。
结合式(1)、(2)，可以得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路a相状态方程为：
式(3)中：
将式(3)离散化后，可以得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路a相状态离散方程为：
式(4)中：ts为系统采样周期，a*、
高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路b相态方程的建立方法与a相完全相同。
如图2所示，考虑到高频dc-dc电路不稳定性和直流母线电压波动，将自抗扰观测器加入到高频dc-dc变换电路电流控制系统中，用以提高系统的鲁棒性和快速性。gpwm为pwm脉宽调制器的传递函数；ki为电流采样系数。通过控制两相电感电流来间接控制储能单元的充电总电流，进而抑制直流母线电压波动对系统造成的影响，提高系统的抗干扰性能。
自抗扰观测器由三部分组成，分别为微分信号跟踪模块、状态观测器模块、非线性反馈控制模块。
(1)微分信号跟踪模块
微分信号跟踪模块的是为了提取两相参考指令电流
式(5)中：x1(k)为参考指令电流的跟踪信号，x2(k)为参考指令电流的微分信号；t为采样周期；g[x1(k)，x2(k)，l，m]为最优控制函数；l为速度参数，取l＝15；m为滤波参数，取m＝0.5。
(2)状态观测器模块
状态观测器模块的作用是跟踪两相实际电流il1和il2，此外，还能估测出系统扰动量，状态观测器模块在离散状态下的表达式可以写成：
式(6)、(7)中：y1(k)为电流il1的跟踪值；y2(k)电流il2的微分值；y3(k)为扰动值；β1、β2、β3为函数h内部参数，当参数在0到1范围内时，函数h误差较小、增益较大，取β1＝0.25、β2＝0.5、β3＝0.75；α1、α2、α3为状态观测器模块参数，其中：α1、α2、影响状态量的观测值，α3影响扰动量的观测值，一般有α1＜α2＜α3，取α1＝10、α2＝20、α3＝30；δ为函数h的选择区间域，取δ＝0.0001。
(3)非线性反馈控制模块
非线性反馈控制模块的主要作用是将微分信号跟踪模块的输出x1、x2和状态观测器模块y1、y2的差值e1、e2进行非线性组合，生成控制量，实现不积分就能完成无静差控制的结果，非线性反馈控制模块在离散状态下的表达式可以写成：
式(8)中：ε1、ε2为非线性函数h的内部参数，本发明取ε1＝0.5、ε2＝0.25；非线性函数h的可调参数k1＝500、k2＝20。
如图3所示，为了验证采用自抗扰观测器的dc-dc变换电路的抗扰动性能，在matlab/simulink平台上建立高频电源系统仿真模型。电路参数如表1所示。
表1高频电源系统参数
为了验证基于自抗扰观测器的高频dc-dc变换电路电流控制策略的动态特性，负载电阻由r＝80ω突变至r＝40ω，再由r＝40ω突变至r＝80ω的过程中，比较了加入自抗扰观测器与未加入自抗扰观测器的电流控制策略下的直流母线电压和充电总电流动态响应波形。
如图4所示，无论上突增负载还是突降负载，udc均能够保持在280v附近，但在突变瞬间，直流母线电压值会有瞬间的波动，之后会恢复到稳态值，两种控制方案下的电压波动幅值和调节时间如表2所示。
表2动态特性分析
从表2可以看出：加入自抗扰观测器的直流母线电压动态响应特性优于未加入自抗扰观测器的直流母线电压动态响应特性。
如图5所示，当负载突变时，两种控制方案下的充电总电流均无超调量，未加入自抗扰观测器的电流控制下的充电总电流最大调节时间为29ms，加入自抗扰观测器的dc-dc电流控制系统下的充电总电流最大调节时间15ms。
因此，可以看出基于自抗扰观测器高频电源dc-dc电流控制系统具有较好的鲁棒性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
1.一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)定义高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感、桥臂侧电容动态特性表达式；
2)根据步骤1)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感、桥臂侧电容动态特性表达式得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程；
3)将步骤2)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程进行离散化处理，得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程；
4)根据步骤3)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程，构建含有：微分信号跟踪模块、状态观测器模块、非线性反馈控制模块的自抗扰观测器；
5)将步骤4)得到的自抗扰观测器加入到高频dc-dc变换电路电流控制系统中，起到提高高频dc-dc电路稳定性和抑制直流母线电压波动的作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：以高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路a相为例，定义高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感特性表达式：
其中：un为逆变电路输出端a到中性点n的电压值；lf为滤波电感；if为桥臂侧电感电流；r为电感寄生电阻；uc为桥臂侧电容电压；
桥臂侧电容动态特性表达式：
其中：cf为滤波电容；i0为流过负载电阻r0的电流。
3.根据权利要求2所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路桥臂侧电感、桥臂侧电容动态特性表达式得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程：
其中：
4.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态方程进行离散化处理，得到高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程：
其中：ts为系统采样周期，a*、
5.根据权利要求4所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)高频电源dc-dc电路中全桥逆变电路状态离散方程，构建含有：微分信号跟踪模块、状态观测器模块、非线性反馈控制模块的自抗扰观测器；
(1)微分信号跟踪模块，微分信号跟踪模块的是为了提取两相参考指令电流
其中：x1(k)为参考指令电流的跟踪信号，x2(k)为参考指令电流的微分信号；t为采样周期；g[x1(k)，x2(k)，l，m]为最优控制函数；l为速度参数，取l＝15；m为滤波参数；
(2)状态观测器模块，状态观测器模块的作用是跟踪两相实际电流il1和il2，此外，还能估测出系统扰动量，状态观测器模块在离散状态下的表达式写成：
其中：y1(k)为电流il1的跟踪值；y2(k)电流il2的微分值；y3(k)为扰动值；β1、β2、β3为函数h内部参数，当参数在0到1范围内时，函数h误差较小、增益较大；α1、α2、α3为状态观测器模块参数，其中：α1、α2、影响状态量的观测值，α3影响扰动量的观测值；δ为函数h的选择区间域；
(3)非线性反馈控制模块，非线性反馈控制模块的主要作用是将微分信号跟踪模块的输出x1、x2和状态观测器模块y1、y2的差值e1、e2进行非线性组合，生成控制量，实现不积分就能完成无静差控制的结果，非线性反馈控制模块在离散状态下的表达式写成：
其中：ε1、ε2为非线性函数h的内部参数；非线性函数h的可调参数k1＝500、k2＝20。
6.根据权利要求5所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，取m＝0.5。
7.根据权利要求5所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，取β1＝0.25、β2＝0.5、β3＝0.75，α1＜α2＜α3，且α1＝10、α2＝20、α3＝30，取δ＝0.0001。
8.根据权利要求5所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，取ε1＝0.5、ε2＝0.25。
9.根据权利要求5所述的一种基于自抗扰观测器的dc-dc变换电路控制方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤4)得到的自抗扰观测器加入到高频dc-dc变换电路电流控制系统中，起到提高高频dc-dc电路稳定性和抑制直流母线电压波动的作用，通过控制两相电感电流来间接控制储能单元的充电总电流，进而抑制直流母线电压波动对系统造成的影响，提高系统的抗干扰性能。
技术总结