多重化双向DC-DC变换器PI滑模变结构控制策略研究
摘要:针对一种基于多重化结构的双向DC-DC变换器拓扑结构提出PI滑模变结构控制策略,实现自动跟踪参考目标电压值、单元电路电感电流间实现均流的目的。给出多重化双向DC-DC变换器的工作原理,得到双向DC-DC变换器变结构模型,对适用于多重化双向DC-DC变换器的双闭环PI滑模变结构控制策略进行了深入分析,运用等效控制理论分析了滑模变结构控制的存在和稳定条件,并利用等效输入的调制方式使变换器在定开关频率下运行。PI滑模变结构控制方案充分发挥了快速响应和鲁棒性强的优点。仿真结果证明理论分析的正确性。
引言
所有为开关变换器设计的控制器事实上都是周期性的时变结构的控制器,通常有2个可能的δ值,依次轮流改变变换器的拓扑结构。变换器通过强制δ(t)=1或δ(t)=0来创建开关函数δ(t),达到开通或关断电力电子器件的目的[1-2]。
滑模变结构控制策略是通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动,使系统在受到参数摄动和外干扰时具有不变性[1-23]。与传统PWM控制方式的开关变换器相比,滑模变结构控制方式的开关变换器具有良好的动态特性、鲁棒性以及在电源和负载大范围变化时能保持系统稳定性等优点[1-23]。多种滑模控制方式已用于控制DC-DC开关变换器,但因滑模控制方式要求全状态变量反馈,且需相应的基准参考量,故增加了电路设计的复杂性[20-21]。
首先分析了多重化双向DC-DC变换器的工作原理,继而得出双向DC-DC变换器的变结构模型,针对多重化双向DC-DC变换器提出一种新的PI滑模变结构控制策略,实现调控电压、单元电路电感电流间均流的目的。最后给出了仿真结果。
1 多重化双向DC-DC变换器[24]
为减小变换器电感电流纹波、电流谐波含量和滤波器体积,适应DC-DC变换器滤波网络参数的优化,把几个结构相同的基本变换器适当组合(一种特殊的并联,一般是开关管触发相位错开一定角度)构成另一种复合型DC-DC变换器,称之为多重化DC-DC变换器。
2 双向DC-DC变换器变结构模型
假定负载为阻性负载,以电感电流iL和电容电压uC为状态变量,忽略电感和电容的寄生电阻,又根据上述多重化双向DC-DC变换器工作原理分析,可得出单元双向DC-DC变换器变结构模型。其中,当变换器作为Buck电路运行时,变结构模型如图2(a)所示;当变换器作为Boost电路运行时,变结构模型如图2(b)所示。
3 多重化双向DC-DC变换器PI滑模变结构控制方案
对于多重化双向DC-DC变换器而言,其控制目标是:单元电路电感电流间实现均流(即消除单元电路间可能存在的环流)、调控电压Udc(Ufc)、对于负载或输入电压变化具有优良的瞬态响应性能[18]。
为达到上述控制目标而采用双闭环控制系统,控制原理如图3所示。外环为电压环(又称直流环),采用传统的PI调节器实现对电压的校正,从而达到调控电压的目的;内环为电流负反馈环(又称交流环),采用滑模变结构控制实现对单元电感电流的校正。由于外环PI调节器的输出作为内环滑模控制的参考基准,无须求取电流滑模基准,因此提高了控制方案的实用性。
其中,采用电流负反馈的优点是:拥有内在限流能力;改善了开关调节系统的稳定性和瞬态特性;当几个单元开关变换器并联运行时,应用双闭环系统,每个单元开关变换器有独立的电流负反馈,并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路,使各个电流反馈系统有相同的参考(给定)电流值,这样就可以实现几个单元开关变换器之间的均流或负荷的自动分配。
图5表明,PI滑模变结构控制方案启动时间短。
图6表明,稳态时能很好地达到控制目标。图7、8表明,PI滑模变结构控制对负载、电压突变具有一定的鲁棒性。三重化Boost运行方式可类似进行仿真试验。
上述计算机仿真结果表明,多重化双向DC-DC变换器PI滑模变结构控制在电路实现及启动性能和动态性能、对负载及电压大幅度变化具有良好的鲁棒性和很好地实现特定的控制目标等优点。
5 结论
本文将PI控制和滑模变结构控制相结合,成功地应用于多重化双向DC-DC功率变换器控制中,实现了自动跟踪设定的目标电压基准值和平均变换器单元电路间的电感电流的控制目标。通过等效控制理论给出了滑模变结构控制存在的滑模区域。并使变换器在定开关频率下运行。仿真结果表明PI滑模变结构控制方案具有电路实现简易及启动性能好和快速动态性能、对电压和负载大幅度突变具有良好的鲁棒性等优点,作为多重化双向DC-DC变换器的一种控制策略是切实可行的。
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