摘要：介绍了滑模控制理论及其在Buck变换器中的仿真研究，提出了一种新型滑模控制器的设计方法，该方法与传统设计方法的不同之处是在
三维空间中设计滑模面，该设计方法充分考虑了Buck中各元件的信息。Buck变换器工作在CCM模式下，计算出该方法的滑模可达性条件及其控制
器方程，并论述了该种方法的稳定性。最后采用SIMULINK对该控制器在Buck电路中的应用进行了仿真，通过仿真结果论证了变换器的相关理论
，证明了该种方法的可用性。
关键词：滑模控制；PWM；Buck变换器；CCM
在将发电机输出电压变换为各个设备所需电压的过程中，直流斩波器得到了广泛应用。其在整个运行过程中受开关量的控制，使得整个电路在
两个子电路中不断切换，具有明显的变结构特点。滑模控制由于对系统参数变化及其外部干扰的不敏感性和具有的良好动态品质在各种控制系
统中都得到了广泛的应用。滑模控制与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹作
小幅度、高频率上下运动，即称为滑动模态或“滑模”运动。
滑模控制用于Buck开关变换器已经得到较大发展，大部分设计方法都采用系统的输出电压或电感电在B U C K变换器中的仿真研究流作为参考对
象进行滑模面的设计。P.Mattavelli、G.Spiazzi和L.Rossetto等[1]设计了一种通用于各类直流变换器的滑模，根据各直流变换器阶数的不同
，考虑电感电流和输出电压设计滑模面。Alexander G.Perry,GuangFeng,Yan-Fei Liu,P.C.Sen[2]提出了一种新型的滑模方法SML（Csliding
mode like control），这种方法可以直接定义在时间域上。杨苹、吴捷等[7]提出了一种基于电感电流的滑模控制方法，并对它的动态性能进
行了分析。传统滑模设计只是在二维平面内对系统进行了滑模设计。
Siew-Chong Tan、Y.M.Lai和Chi K.Tse[3]对三维空间中的系统做了分析，并鉴于Buck变换器在电感电流连续模式（CCM）下系统的变压比只与
占空比有关，提出了一种在三维空间中通用于各阶直流变换器的基于P W M的滑模面的设计方法，该方法取系统的输出电压作为参考参数。本文
提出了另一种在三维空间中设计滑模面的新方法，该方法采用系统输出电压偏差、偏差的变化率及其电路中电感电流作为滑模的3个参数进行设
计，该设计方法充分考虑了电路中各元件的信息，并通过仿真对该设计方法作了检验，肯定了其有效性。
变结构控制是前苏联学者Utkin在20世纪70年代初提出的一种设计方法[4]。主要研究的是二阶和单输入单输出系统,并用相平面法来分析系统特
性。滑模变结构控制作为一种非线性控制，与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，它利用高速开关将系统的相轨迹引导到一个由设计者
所选择的可达曲面s(x)=0(切换面)上，系统的状态向量进人切换面后，就被约束在s(x)=0的小空间中作小幅度、高频率的上下运动，即滑模运
动。该切换面就称为滑模面。
由于给定的相轨迹与控制对象参数以及外部干扰变化无关，因此滑模变结构控制具有良好的鲁棒性和优良的动态品质，可保证系统是渐进稳定
的。更难能可贵的是滑模控制算法简单，易于工程实现，所以在工程实践中得到了广泛的应用。
滑模变结构控制必须满足以下条件：
（1）滑动模态必须存在；
（2）满足条件，切换面s(x)=0以外的相轨迹将在有限时间内到达切换面；
（3）滑模运动渐近稳态，并具有良好的动态品质。
基于PWM(pulse width modulation)带滑模控制器的Buck变换器结构如图1所示，假设变换器工作在CCM(continuous conduction mode)下，C为
电容，L为电感，RL为负载电阻，D为二极管，Sw由IGBT电子元件构成，Ui为系统输入电压，U0为系统输出电压，Uref为参考输出电压，R1、R2
为分压电阻，γ为反馈电压比率，us是滑模控制器输出控制规则，u是经PWM调节的控制率，其值为0或者1，负责电力开关Sw的通断。
文章对滑模变结构控制在Buck变换器中的应用进行了新的尝试，将滑模设计从二维平面向三维空间作了拓展，提出了一种在三维空间中新的设
计滑模控制器的方法，该方法充分采集了系统各个元件的信息,能更好地反映系统状态,通过仿真得到了较为理想的结果，证实了该种方法的可
用性。
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