基于Buck变换器的新型滑模控制策略
罗 成1,张昌凡1,耿建华2
(1.湖南工业大学电气工程系,湖南株洲 412008;2.湖南工业大学计算机科学与技术系,湖南株洲 412008)
摘 要:为获得比较理想的直流输出电压,优化变换器的动态性能,基于Buck变换器采用新型滑模变结构控制策略,阐述其工作原理,并结合状态方程,推导出滑模面的存在条件和到达条件,然后对电路参数及控制系数进行设计。仿真结果表明采用这种新型滑模控制策略的Buck变换器对系统扰动和负载变化具有很强的鲁棒性,系统具有良好的动态响应。
关键词:Buck变换器;滑模变结构控制;积分重构
中图分类号:TP13 文献标识码:A
1 引 言
滑模变结构控制是带滑动模态的变结构控制,它对外部扰动和负载变化不敏感,且动态响应和稳态响应[1-3]非常好。DC/DC功率变换器属周期性时变结构系统,故滑模控制对其很适用。研究者对滑模控制在功率变换器中的应用也做了很多研究:在文献[4]和[5]中,采用常值切换控制策略,即控制器U在0和1之间来回切换实现开关变换器的控制。文献[6]通过直接控制和间接控制两种途径,使用滑模控制方法设计了相应的控制器。
文献[7]中指出,在功率变换器控制器设计中,状态变量选取电感电流、电容电压偏差的线性组合比选择电感电流、电容电压可以达到更好的控制效果。文献[8]已使用了这种方法,并达到了较好的控制效果。但在上述滑模控制方案中,在构建滑模切换面时需要反馈电感电流或电容电流,增加了电路的复杂性。文献[9]提出了电流通过电压积分重构的方法,选取电容电压的线性变换为其状态变量进行研究,并对其小信号稳定性做了分析。本文从工程实用性入手,在状态变量选取电感电流、电容电压偏差的线性组合的基础上,用电感电流构建出电容电压,并对其在下大信号下的稳定性做了分析,以达到更好的控制效果和实用性。
4.1 对纹波电压的抑制效果
电网中的电压总是不稳定的,一般需要经过整流滤波后才输入到变换器中,但仍是有波动的,即常说的纹波电压,抑制纹波电压对提高系统的稳定性和工作性能有很大的实际意义。在通常情况下,交流电源大都采用全波整流,经过滤波后输出的纹波电压波形近似于三角波形电压,为了与实际情况相符,下面用峰值为2V,频率为500Hz的三角波电压来模拟波纹电压,研究控制对纹波电压的抑制效果。当ε=400时,由图5可见,此控制效果可以很好抑制纹波电压,稳定电压达到希望的输出值。
4.2 系统参数摄动的鲁棒性
在实际应用中,由于温度、元件老化和外部环境的变化及干扰等因素的影响,系统的某些参数会发生变化,导致系统工作状态的改变。经过研究表明,本文的控制方法能够克服这种现象,因而其鲁棒性好。假设变换器的负载电阻R在系统控制到稳定值后突然发生跳变,跳变频率为100Hz,其值在10Ω和12Ω之间上跳变。当ε=400时,图6显示了本文设计的控制系统在这种阶跃负载扰动下的控制效果。从图中可以看出,输出电压在负载跳变时抖动很小,从而说明其对负载扰动有很好的鲁棒性。
5 结 论
本文通过用积分重构的方法来通过电容电压重构电感电流,给Buck变换器设计了新的滑模切换面,从而解决了电感电流难以测量的工程实践难题。本文通过其滑模面的最大广义滑模区分析和开关频率分析,初步讨论了其参数的范围,并讨论了其在大信号下的稳定性。仿真结果表明本文所述的方法对纹波电压和参数摄动的鲁棒性好,控制速度快,是一种切实可行的方法。
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