聶金泉，吳華偉，鄺 勇，童曉輝，任曄路

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應(yīng)用于電動(dòng)汽車復(fù)合儲能系統(tǒng)的升壓型直流變換器控制策略

聶金泉1,2，吳華偉1,2，鄺 勇3，童曉輝3，任曄路3

（1湖北文理學(xué)院純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441053；2湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；3東風(fēng)襄陽旅行車有限公司，湖北 襄陽 441000）

升壓型直流變換器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略存在收斂速度較慢、抖振劇烈等導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)差問題。本文提出一種雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略，在電流跟蹤誤差估計(jì)值的基礎(chǔ)上定義滑模面以實(shí)現(xiàn)電流跟蹤控制，依據(jù)系統(tǒng)的未知擾動(dòng)和負(fù)載變化建立自適應(yīng)狀態(tài)觀測器，結(jié)合李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，并計(jì)算自適應(yīng)占空比。提出一種雙冪次趨近律，根據(jù)系統(tǒng)不同趨近過程的特點(diǎn)制定參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)進(jìn)行目的性調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)滑模滯環(huán)控制器以削弱由符號函數(shù)項(xiàng)所引起的抖振。對以上方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示可有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和電流控制魯棒性。

升壓型直流變換器；雙冪次趨近律；滑?？刂?；自適應(yīng)觀測器；滯環(huán)控制器

復(fù)合儲能系統(tǒng)綜合電池和超級電容的高比能、高比功率特性，可有效提升系統(tǒng)中電池的使用壽命，獲得了廣泛的關(guān)注[1]。升壓型直流變換器廣泛應(yīng)用于要求輸出電壓高于輸入電壓的工程中，在復(fù)合儲能系統(tǒng)中也得到了大量的應(yīng)用。然而，開關(guān)特性使升壓型直流變換器具有非線性，實(shí)際工作中輸入電壓、負(fù)載和系統(tǒng)參數(shù)變化等不確定性擾動(dòng)隨時(shí)可能發(fā)生，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成威脅。因此，尋找一種針對該非線性系統(tǒng)在任意工況下抗擾動(dòng)且快速收斂的控制策略尤為重要[2]。

滑?？刂凭哂恤敯粜詮?qiáng)、快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于直流變換器穩(wěn)定性控制和工作模式切換等實(shí)際工程問題 中[2-4]。其主要缺點(diǎn)在于系統(tǒng)的不連續(xù)開關(guān)特性引起不可避免的抖振現(xiàn)象，抖振不僅影響控制精確性，增加能量消耗，而且易激發(fā)系統(tǒng)的未建模特性，使其產(chǎn)生振蕩或失穩(wěn)，損壞控制器部件。此外，滑?？刂苾H在滑模運(yùn)動(dòng)階段對系統(tǒng)的不確定性和擾動(dòng)具有不變性，因此，如何在減少滑模趨近時(shí)間的同時(shí)消除滑模運(yùn)動(dòng)階段的抖振仍是目前研究的熱點(diǎn)問題之一[5-6]。

國內(nèi)外學(xué)者采用邊界層法[7]、濾波法[8]以及趨近律法[9-10]等來削弱抖振。邊界層法不能使?fàn)顟B(tài)收斂到滑模；濾波法存在穩(wěn)定性分析的難點(diǎn)；基于趨近律的滑?？刂瓶梢杂行Ц纳期吔\(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，自提出以來便受到廣泛關(guān)注[7-12]。常用的3種趨近律中，等速趨近律的趨近速度恒定，指數(shù)趨近律雖然加快了系統(tǒng)遠(yuǎn)離滑模面時(shí)的趨近速度，但這兩種趨近律都不能從理論上消除抖振，單冪次趨近律可以平滑地進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)而削弱抖振，但在遠(yuǎn)離滑模面時(shí)存在趨近速度過小的問題[11]。上述常用趨近律的可調(diào)參數(shù)較少，在控制過程中仍然存在抖振及收斂速度有待提升的問題[12-13]。

外界干擾及不確定項(xiàng)是滑?？刂浦卸墩竦挠忠恢饕獊碓?，對直流變換器而言，輸入電壓變化、負(fù)載變化以及系統(tǒng)參數(shù)變化等不確定因素均會對系統(tǒng)造成干擾，影響控制效果[14]。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)滑模觀測器對外界干擾和不確定性進(jìn)行估計(jì)并加以補(bǔ)償調(diào)整，達(dá)到削弱抖振的目的。直接對控制量進(jìn)行滯環(huán)控制可以降低系統(tǒng)模式切換頻率而減小抖振[3]，但抖振削弱效果仍有待提升。

綜上，本文提出一種升壓型直流變換器的雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略?？紤]電池內(nèi)阻變化所引起的輸入電壓不穩(wěn)定，以及負(fù)載變化所引起的系統(tǒng)擾動(dòng)，建立自適應(yīng)觀測器，結(jié)合李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)自適應(yīng)律。提出一種雙冪次趨近律，根據(jù)系統(tǒng)不同趨近過程的特點(diǎn)制定參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，從而對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)進(jìn)行目的性調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)滑模滯環(huán)控制器以削弱由符號函數(shù)項(xiàng)所引起的抖振。與指數(shù)趨近律相比，驗(yàn)證了雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略在系統(tǒng)啟動(dòng)階段和負(fù)載突變情況下，在調(diào)節(jié)時(shí)間、抗干擾和電流魯棒性控制等方面的優(yōu)越性。

1 升壓型直流變換器模型

升壓型直流變換器的等效電路如圖1所示。其理想狀態(tài)模型見式(1)～(2)[16]

圖1 升壓型直流變換器等效電路

升壓型直流變換器用于電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)中時(shí)，需要考慮電池內(nèi)阻變化、負(fù)載變化和系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的電流波動(dòng)和輸出電壓波動(dòng)，下文提出一種滑?？刂?，在跟蹤電流誤差的基礎(chǔ)上，克服上述不確定性因素對系統(tǒng)造成的干擾，實(shí)現(xiàn)電流控制的魯棒性以保證復(fù)合電源系統(tǒng)中電池組的安全和使用壽命。

2 滑模控制與滑模觀測器

2.1 電流滑?？刂?/h3>

可求得控制量，即占空比為：

（7）

2.2 自適應(yīng)滑模觀測器

與文獻(xiàn)[15]的不同之處在于，基于上述自適應(yīng)觀測器的滑?？刂瓶梢员ＷC電流控制的魯棒性?；？刂埔蜃樱ㄗ赃m應(yīng)占空比）計(jì)算為：

3 雙冪次滑模滯環(huán)控制策略

3.1 雙冪次滑?？刂?/h3>

本文提出一種針對系統(tǒng)不同趨近過程特點(diǎn)進(jìn)行目的性調(diào)節(jié)的雙冪次滑模趨近律，形式如下

3.2 滑模滯環(huán)控制器

圖2 滑模滯環(huán)控制器

4 仿真研究

圖3 雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略框圖

4.1 參數(shù)分析及選擇

圖4 k不同取值對應(yīng)的啟動(dòng)電流仿真結(jié)果

圖5 冪指數(shù)不同取值對應(yīng)的啟動(dòng)電流仿真結(jié)果

4.2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略對升壓型直流變換器穩(wěn)定性控制的有效性和優(yōu)越性，首先測試啟動(dòng)時(shí)的響應(yīng)情況，并與常用的指數(shù)趨近律進(jìn)行對比，啟動(dòng)后要求電流穩(wěn)定在10A，仿真對比結(jié)果見圖6，詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)如表1所示。升壓型直流變換器在啟動(dòng)時(shí)采用雙冪次趨近律控制，其啟動(dòng)電流、輸出電壓、滑模面以及占空比的啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間分別縮短約58.8%、54.3%、50%和66.7%，即在啟動(dòng)時(shí)可以更快進(jìn)入工作狀態(tài)并達(dá)到穩(wěn)定無波動(dòng)，且曲線抖振幅值更小，保證了電流控制的魯棒性，有利于提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和高效性。

圖6 恒定負(fù)載（10Ω）啟動(dòng)時(shí)兩種趨近律對比仿真結(jié)果

表1 雙冪次趨近律與指數(shù)趨近律的啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間

為了模擬負(fù)載突變，分別對升壓型直流變換器輸出端進(jìn)行加載和卸載操作，電流瞬時(shí)響應(yīng)對比結(jié)果見圖7。圖7(a)為加載結(jié)果，0.05s時(shí)在輸出端突然并入10Ω電阻，使得負(fù)載電阻由10Ω突變至5Ω，電感電流瞬間增大；圖7(b)為卸載操作結(jié)果，0.05s時(shí)在輸出端突然撤掉10Ω電阻，使得負(fù)載電阻由5Ω突變至10Ω，電感電流瞬間減小。詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)分別如表2和表3所示。升壓型直流變換器在負(fù)載突變時(shí)采用雙冪次趨近律控制，加載和卸載時(shí)瞬時(shí)電流響應(yīng)時(shí)間分別縮短約45.7%和61%，且電流跳變峰值更小，穩(wěn)定后不波動(dòng)，即雙冪次趨近律在升壓型直流變換器負(fù)載突變情況下的穩(wěn)定性控制更為有效，且瞬時(shí)響應(yīng)能力更強(qiáng)。

圖7 負(fù)載突變時(shí)兩種趨近律對應(yīng)的瞬時(shí)電流仿真結(jié)果

表2 加載時(shí)兩種趨近律的電流瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間和峰值

表3 卸載時(shí)兩種趨近律的電流瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間和峰值

5 結(jié) 論

本文提出一種雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略，通過考慮未知擾動(dòng)和負(fù)載變化，建立了升壓型直流變換器的等效電路和平均狀態(tài)空間模型，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)狀態(tài)觀測器。提出了一種雙冪次趨近律并進(jìn)行參數(shù)選擇，設(shè)計(jì)了滑模滯環(huán)控制器以削弱由符號函數(shù)項(xiàng)所引起的抖振。

仿真結(jié)果顯示采用雙冪次趨近律控制，啟動(dòng)時(shí)可使電流、輸出電壓、滑模面以及占空比的響應(yīng)時(shí)間分別縮短約58.8%、54.3%、50%和66.7%；加載和卸載時(shí)可使瞬時(shí)電流響應(yīng)時(shí)間分別縮短約45.7%和61%，且各項(xiàng)指標(biāo)跳變峰值更小，穩(wěn)定后不波動(dòng)，驗(yàn)證了雙冪次趨近律在升壓型直流變換器啟動(dòng)和負(fù)載突變情況下，瞬時(shí)響應(yīng)能力更強(qiáng)且電流控制的魯棒性更優(yōu)。

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Study on the control strategy for a boost converter used in hybrid energy storage system of electric vehicles

1,2,1,2,3,3,3

(1Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei University of Arits and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;2School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arits and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;3Dongfeng Xiangyang Touring Car Co., Ltd., Xiangyang 441000, Hubei, China)

The boost converter suffers the low convergence speed and chattering phenomenon in the scheme with sliding mode variable structure control. A double power reaching law-based sliding mode hysteresis control strategy is proposed. To achieve the current tracking control, a sliding surface is defined based on the estimated tracking current error. By considering the unmodeled dynamics and the unknown disturbances, the adaptive state observer is established. The adaptation laws are designed based on the Lyapunov function and the adaptive dutyratio is calculated. A double power reaching law is proposed, which can set the parameter selection standard according to the different features of system approaching process and purposefully adjust the dynamic response quality. A sliding mode hysteresis controller is designed, which aims at reducing chattering phenomenon caused by the sign function. Simulation results show that the dynamic response performance and robustness of current control are improved effectively.

double power reaching law; sliding-mode control; adaptive state observer; hysteresis controller; boost converter

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0180

TP 212

A

2095-4239（2019）02-379-07

2018-09-05；

2018-11-16。

湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2017AAA133)；“機(jī)電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學(xué)科群開放基金（XKQ2018002）。

聶金泉（1987—），男，博士，研究方向?yàn)闇y試與控制技術(shù)，E-mail: niejinquan_hbuas@163.com；

吳華偉，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)故障診斷與健康管理，E-mail：whw_xy@163.com。