基于VISSI M的BUC K变换器滑模控制
摘 要:根据DC/DC变换器的基本原理,基于VISSIM建立了BUCK变换器的仿真模型,采用双滑模面控制方法,内环滑模面用于电流控制环,外环滑模面用于电压控制环,并将仿真结果与PI控制方式相比较。仿真结果表明了滑模控制的优越性,为研究BUCK变换器的滑模控制提供了新方法,也为进一步研究其它DC/DC变换器的滑模控制提供了新思路。
引 言
DC/DC变换器分为PWM型和谐振型。本文采用PWM型BUCK变换器,即通过改变占空比来调节变换器。
目前,对于BUCK变换器的闭环控制方法,主要有电压型[1]和电流型[2]。电压型采用输出电压单环控制,而电流型采用电感电流和输出电压双环控制,能从电路中获得更多的信息,控制效果较好。
对于电流型双环控制,可用的控制器很多,最基本的有PI控制器、模糊控制器[3]、滑模控制器[4]。在这三种控制器中, PI控制器结构最简单,但受外界扰动影响较大;模糊控制器需设计模糊规则表,结构复杂;滑模控制具有很强的鲁棒性,几乎不受外界扰动的影响,控制效果好,而且控制器设计相对模糊控制较简单。
而对于BUCK变换器的滑模控制,一般分为时不变和时变两种滑模面。其中,时变滑模面是将变换器参数的变化引入到切换面,根据变换器参数的变化不断修正切换面,结构较复杂;而时不变滑模面需在设计时确定滑模面的系数。
综合比较各种控制方法,本文采用时不变滑模面的控制方法。VISSIM是一种功能强大的电力电子和自动控制建模和仿真软件,该软件能够提供友好的用户界面,并包含有丰富的控制元件库和强大的数学运算模型,还可将其它仿真软件中的元器件容易地转化为通用数学模型,更能够与C++、DSP和集成的Matlab模块共享。通过用VISSIM建立BUCK变换器的滑模控制模型,可将滑模控制引入电力电子开关控制领域,为实际开关控制的设计提供了新思路。
1 BUCK变换器的数学模型
2 双闭环控制
图2为BUCK变换器电流型双闭环控制原理图,BUCK变换器的输出电压参考值与实际值的偏差通过电压控制器得到电感电流的期望值,该值经过电流控制器与电感电流实际值相比较产生误差值,再通过开关控制器产生BUCK变换器开关管的控制信号,调节电感电流和输出电压值,最终使电感电流和输出电压值均趋于稳态值。
在传统的电流型双闭环控制中,电压控制器采用PI或PID调节器,电流控制器即为一个减法器和增益环节。开关控制器一般选择PWM或滞环控制器。
3 滑模控制
20世纪60年代,前苏联学者S.V. Emelyanov,V. I.Utkin等提出了变结构控制(以下简称VSC)方法,VSC与常规控制系统的不同之处在于系统的“结构”可以在瞬变过程中,根据系统当前的状态(偏差及其各阶导数等),以跃变方式,有目的的变化,迫使系统沿预定的滑动模态运动。由于其滑动模态具有对干扰与摄动的不变性,这使得VSC具有J决速响应对参数及外界扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点, 20世纪80年代以后逐渐受到重视。
一般的滑模控制包括滑模面设计和控制率设计两部分,但对于BUCK变换器,其控制率u只能取0或1,故对其滑模控制设计主要集中在滑模面设计上,而对于滑模面设计,有单滑模面[4]和双滑模面两种方法,用单滑模面方法波形会有较大的高频抖振,最好的方法是采用双滑模面。
本文的双滑模面控制方法与电流型双闭环控制类似,外环为电压环,电压控制器选用滑模控制器,内环为电流环,电流控制器是一个减法器,开关控制器由滑模控制规则决定。
3.1 滑模面设计
根据BUCK变换器的状态方程,取电感电流和电容电压(与输出电压相等)为状态变量,两者分别建立滑模面方程。双滑模面法与双闭环控制法类似,外环为输出电压控制环,保证输出电压趋于期望值,内环为电感电流控制环,保证电感电流趋于期望值。
因电感电流值为电容电流值与输出电流值之和,而外环的滑模面S1的输出作为电感电流期望值与内环的实际电感电流值相比较。为加快输出电压的收敛速度,在设计外环滑模面时采用比例积分微分形式,比例环节使输出电压实际值趋于期望值,积分环节用来产生电感电流的期望值,微分环节用来预测误差变化。故可得两个滑模面方程为:
为验证滑模控制的优越性,设计了滑模和PI两种控制器并将控制效果进行了比较。如图6所示,PI控制器采用双闭环控制,外环为输出电压环,内环为电感电流环。为使滑模控制更好地与PI控制进行结果比较,本文在用两种方法仿真时仅替换了电压控制环节。PI控制的比例系数0. 8,积分系数2。滑模控制器结构如图7所示。作为滑模控制率的滞环控制模型如图8所示。
5 仿真结果
根据以上仿真框图,为测试PI控制和滑模控制的抗扰性,负载电阻R初始值为2. 5Ω,在7 s时突变为5Ω,在13 s时再突变为2. 5Ω。因本文的BUCK变换器采用了标准化建模方法,将仿真时间放大了,故仿真时间较长。采用两种方法的仿真波形如图9~11所示。
根据两组波形对比可以看出:滑模控制的电流电压波形能快速稳定到稳态值,当负载电阻变化时,滑模控制电流电压波形波动较小,且比PI控制更快恢复到稳态值。在PI控制中,比例系数越大,遇到负载扰动时电压波形变化越小,但恢复到期望值的速度变慢,需加大积分系数才能使恢复速度变快。
滑模变结构控制的主要缺点是存在“抖振”现象,这是由控制规律的开关方式决定的。在理想情况下,滑模运动能够严格遵循滑动模方程,运动曲线是平滑的,不出现抖振现象。但是变结构就要进行切换,只有当切换没有延时,并且切换频率无限高时才能使滑模运动不出现抖振。
仿真波形表明:本文的双滑模面控制方法比单滑模面方法反馈更多信息,其控制特性超过PI控制,无明显的高频抖振现象。
6 结 语
本文根据BUCK变换器的基本原理,在运用状态方程法建立了BUCK变换器数学模型的基础上,设计了一种双滑模面闭环控制方法,并将其仿真结果与PI控制的效果相比较。仿真结果表明:滑模控制的抗扰性,快速稳定性都比PI控制效果好。由于采用双滑模面控制,避免了单滑模面控制时波形因高频抖振太大而长时间无法稳定的问题。
对于BOOST和BUCK/BOOST变换器,电容电流的变化是不连续的,故双滑模面方法只适用于BUCK变换器,而BOOST和BUCK/BOOST变换器用单滑模面方法波形会有较大的高频抖振。
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