LMI Control Design of a Non-Inverting Buck-Boost Converter: a Current Regulation Approach

Abstract

This paper presents an analytical study of an input current-mode control based on a linear matrix inequalities (LMI) for a noninverting buck-boost converter. The LMI control technique makes better the dynamic response of this converter in comparison with previous research works, where its currents has been regulated using a classical analogue PI controller with an additional pole. The main features of the selected converter are its voltage step-up and step-down properties, high efficiency, wide bandwidth and low input and output current ripples. All of these converter's properties allows it to be used as a modular converter capable of being positioned at any converter locations in hybrid systems, which are formed by varying-voltagesources, current controlled dc-dc converters and auxiliary storage devices such as batteries or capacitors. The designed statefeedback controller has the following aims, among others: pole placement constraints, control effort limitation, and decay rate and bandwidth improvement. The use of state-space averaging (SSA) method allows to describe LMI constraints which guarantees stability and provide good performances under a close loop pole region and control signal bound. The theoretical analysis have been simulated by means of Matlab and PSIM on an 800-W coupled-inductor buck-boost dc-dc switching converter.Keywords: Coupled Inductors, Current Control, DC-DC Power Converters, Linear Matrix Inequality (LMI), Non-Inverting Buckboost Converter. ResumenEste artículo muestra un estudio analítico de control de entrada de modo-corriente basado en Desigualdades Lineales Matriciales (DLM) para un convertidor no-inversor buck-boost. La técnica de control DLM mejora la respuesta dinámica de este convertidor en comparación con trabajos de investigación anteriores, donde las corrientes han sido reguladas usando un controlador clásico análogo PI con un polo adicional. Las principales características del convertidor seleccionado son sus propiedades de subir y bajar por paso, alta eficiencia, amplio ancho de banda y bajas oscilaciones de corrientes de entrada y salida. Todas estas propiedades permiten que el convertidor sea usado de manera modular, siendo capaz de ser posicionado en cualquier posición de convertidor en sistemas híbridos, los cuales son conformados por fuentes de voltaje variable, convertidores dc-dc controlados por corriente, dispositivos de almacenamiento auxiliares como baterías y capacitores. El controlador de estado de retroalimentación diseñado tiene los siguientes objetivos, entre otros: restricciones de la ubicación del polo, limitación en el esfuerzo de control, tasa de decaimiento y mejora en ancho de banda. El uso del método de promedio en espacio de estado (PEE) permite describir restricciones DLM que garantizan la estabilidad y proveen buen rendimiento en una región de polo de ciclo cerrado y sujeto a la señal de control. El análisis teórico fue simulado usando Matlab y PSIM en un convertidor conmutable dc-dc buck-boost de inductor acoplado de 800-W.

Điều Khiển Điện Áp Bộ Chuyển Đổi Buck-Boost Sử Dụng Điều Khiển Trượt Dựa Vào Mặt Trượt Pi

“…Điện áp ngõ ra của Buck-Boost phụ thuộc vào thời gian hoạt động của chuyển mạch IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) điều khiển bằng điều chế độ rộng xung (pulse-width modulation -PWM) [4]. Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng các phương pháp khác nhau để điều khiển bộ chuyển đổi này, tiêu biểu như trong [1], [2] đã điều khiển điện áp bộ chuyển đổi Buck-Boost với bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID: Proportional Integral Derivative), điều khiển trượt dựa vào mô hình nội được thực hiện trong [3], trong [4], [5] đã điều khiển bộ chuyển đổi Buck-Boost với bộ điều khiển PI, bộ điều khiển LMI (linear matrix inequalities) được thực hiện trong [6] để ổn định dòng điện bộ chuyển đổi Buck-Boost và [7] đã nghiên cứu bộ điều khiển trượt tích phân cho bộ Buck-Boost với thời gian xác lập là 0,05(s) và độ vọt lố là 60(%) ở chattering ngõ ra. Trong các nghiên cứu đã công bố, bài toán chattering đã được quan tâm nhưng còn hạn chế.…”

Gain-Scheduled Control Design Applied to Classical dc–dc Converters in Photovoltaic Systems and Constant Power Loads

“…The proofs of the presented lemmas can be found, for instance, in [19,25,26]. The conditions of both Lemmas 1 and 2 are solved simultaneously in the problem investigated in the next sections, assuring robust stability, disturbance rejection (H ∞ norm), suitable transient behavior (pole in Figure 1 locations) and control signal with limited energy.…”

“…Applying the proposed control design technique considering (22) and the values informed in Table 1, one obtains the results shown in Table 2. For comparisons purposes, the controllers obtained with the technique from [26] are also designed and shown in Table 2 (to make the comparison possible, the quadratic stability conditions of [26] were extended to address LPV matrices).…”

Sensorless Adaptive Voltage Control for Classical DC-DC Converters Feeding Unknown Loads: A Generalized PI Passivity-Based Approach

“…The non-inverting buck-boost converter in Figure 1 d works similarly to the buck-boost topology, i.e., the output voltage can be higher or lower than the voltage input [ 22 ]. However, this converter maintains the same polarity of the voltage input [ 7 ].…”

“…In the current literature regarding control techniques applied for second-order DC-DC converters for output voltage regulation, the following can be found: sliding-mode controllers [11,12], fractional-order sliding mode control [13], nonlinear high-gain observerbased second-order sliding mode control [14], observer-based higher-order sliding mode control [15], backstepping control designs [16,17], exact feedback linearization methods [18,19], adaptive control strategies [20], passivity-based control designs [7,21], and linear methods such as PI or feedback designs [22], among others. The passivity-based controller has already been implemented for these types of converters; however, its analysis has been carried out separately, not allowing a generalized control law design.…”