Boost-Buck型DC/DC变换器的滑模控制
摘 要:文章基于Boost-Buck电路,采用滑模变结构控制,设计了一个1.1 kW的升-降压型DC/DC变换器。该滑模控制器由两个独立的控制器组成,分别控制升压环节、降压环节,根据电路状态动态调节,互不影响。该控制方案能有效地克服输入电压、负载扰动及参数摄动,充分发挥了滑模控制快速响应、鲁棒性强等优点,并且实现简单、控制灵活,具有很好的实际应用价值。计算机仿真结果证实了理论分析与设计的正确性。
引 言
滑模变结构理论由前苏联学者欧曼尔扬诺夫(S.V.Emelyanov)、尤特金(V.I.Utkin)于20世纪50年代提出并发展至今,已经成为控制理论的一个重要分支。滑模变结构控制适用于线性系统、非线性系统、离散系统和高阶系统。它之所以逐渐受到重视,主要是在于它的鲁棒性。滑模变结构控制系统对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极佳的不敏感性。
将滑模控制运用到电力电子领域中,能获得优良的动态性能,这已引起电力电子学者的广泛关注。国外有关学者早在20世纪80年代就开始了这方面的研究。近几年,国内学者也开始积极地投入到电力电子系统滑模控制的研究中去,并取得了一定成果[1~3]。文献[2]依据开关工作周期,动态地对滑模误差进行修正,从而动态地补偿控制量的大小;文献[3]把参数的变化引入到滑模面的设计中去。但上述文献也存在如下缺陷:
(1)状态空间平均模型不适宜于滑模控制设计所采用[1]。
(2)不能用等效控制ueq或ueq+Δu代替控制信号u[1,2],因为等效控制ueq是系统运动轨迹到达并且停留在滑模面时的等效连续控制,并不意味着滑模面外的状态点能在ueq的作用下到达滑模面,并且u的取值只有0或1。
文献[1~3]都是以Buck或Boost变换器为例进行滑模控制设计,对于升、降压型DC/DC变换器的滑模控制未曾研究。本文根据u的取值动态建模,将滑模变结构控制成功地运用于升、降压型DC/DC变换器,升压及降压环节分别由2个独立的滑模控制器控制。
1 滑模变结构控制器设计
滑模控制器的设计分为2个步骤:
(1)首先确定滑模面S= 0,使控制系统在滑模面上的运动渐近稳定,动态品质良好。
(2)滑模面S= 0以外的运动能在有限的时间内到达滑模面。Boost-Buck变换器主电路拓扑结构,如图1所示。
3 结束语
本文将滑模变结构控制成功地应用于升-降压型DC/DC变换器,仿真结果表明,该控制方案具有明显的优越性,响应速度快、鲁棒性很强,对于大范围的输入电压、负载扰动以及参数摄动,系统均能快速、准确地达到期望输出,动态特性优良。可以相信,滑模变结构控制在电力电子领域必将有深远的意义和重大的应用价值。
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