logo资料库

Boost变换器滑模控制器设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.38M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共7页
第2页 / 共7页
第3页 / 共7页
第4页 / 共7页
第5页 / 共7页
第6页 / 共7页
第7页 / 共7页
资料共7页，全文预览结束
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Boost 变换器滑模控制器设计# 许佳妮，皇甫宜耿，卓生荣** （西北工业大学自动化学院,西安 710072） 5 摘要：由于 Boost 变换器交流小信号模型传递函数存在一个右半平面零点，使控制难度增大。 针对这一困难，本文采用滑模变结构控制，设计了一种新型的滑模面，实时采样输出电压和 电感电流，能对系统的变化作出灵敏的反应，为简化控制器设计，滑模控制律采用基本逻辑。 经仿真研究，结果表明：滑模控制时系统收敛速度快，无稳态误差;在输入电压和负载电阻 大扰动下，鲁棒性更强。 关键词：Boost 变换器；滑模；鲁棒性 中图分类号：TM423 10 Design of Siding Mode Controller for Boost Converter 15 20 XU Jiani, HUANGFU Yigeng, ZHUO Shengrong (School of Automation ,Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072) Abstract: A right half plane zero of AC small signal model for Boost converter, makes the control quite difficult. In this paper, a new type of sliding mode surface is designed in sliding mode variable structure control. The system samples the output voltage and inductor current in real time for sensitive responses against the change. In addition, the sliding mode control law adopts basic logic, which makes the controller simple and feasible. The simulation results show that: sliding mode control has fast convergence speed and no steady error; under large disturbances in the input voltage and output load, sliding mode control shows faster response and stronger robustness. Key words: Boost converter; siding mode, robustness 25 0 引言 Boost 变换器在电网功率因数校正，纯电动汽车，燃料电池等场合得到了广泛的应用 [1-3]，随着应用场合对电源系统要求的提高，传统的不基于模型的控制策略如 PI 控制等方案 已不能满足系统对性能指标的要求。同时随着现代控制理论的发展，在 DC-DC 变换器控制 方面研究出了很多新的控制方法，如双线性控制，自适应控制，鲁棒控制，模糊控制，神经 30 网络控制，滑模变结构控制等[4-6]。其中滑模变结构控制是通过一定的控制律使滑模变量收 敛于滑模面上的稳定点，具有对内部参数摄动和外界干扰不灵敏的强鲁棒性[7,8], 能够满足系 统稳定性和动态性的要求，因此可将滑模变结构控制方法应用于 Boost 变换器中。 然而 Boost 变换器交流小信号模型传递函数存在一个右半平面零点，不能保证系统采用 电压环控制时的稳定性，因此在滑模控制器设计中直接以电压偏差为滑模面时难以取得理想 35 的效果[9]。对此，研究人员在该方面也进行了很多改进，文[9]中以 为滑 模面，采用等效控制律的恒频滑模控制，使系统稳定并动作灵敏。但等效控制律会引入了一 个小的稳态滑模误差，并且增加了控制器复杂度[10]。另外还有在控制器中加入观测器，PID 型滑模控制或恒频滑模等[11-13]，但都较复杂，实现难度大。本文设计了一种新型的滑模面， 40 控制器简单易行，并克服了上述缺点，系统收敛速度快，鲁棒性强，具有一定的适用性，可 应用于各种场合 Boost 型开关电源的控制[14]。 基金项目：教育部博士点新教师基金（20126102120050） 作者简介：许佳妮（1993- ），女，硕士研究生，电源变换技术 通信联系人：皇甫宜耿（1981- ），男，研究生导师，现代新能源发电及电源变换技术，非线性系统鲁棒 控制技术. E-mail: yigeng@nwpu.edu.cn - 1 - ()LLLrefsgiiIdt
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1 Boost 变换器 1.1 Boost 变换器建模 Boost 变换器是直流升压变换器，它是一种输出电压平均值大于或等于输入电压的单开 关管的直流电压变换器。 45 图 1 Boost 变换器的拓扑结构图 图 1 中 为输入直流电压， 为开关管， 负责整个电路的通断， 为二极管， 、 分别表示电感、电容， 为负载电阻， 表示输出电压。 改变开关管 导通的占空比 达到升压的效果，可以推出一个周期 中输出电压的直流 50 平均值 为： 假定负载为阻性负载，以电感电流 与电容电压 为状态变量，忽略电感和电容的串联 (1) 电阻，可得 Boost 变换器的状态空间方程为： 1.2 Boost 变换器参数设计 (2) 表 1 Boost 变换器基本参数 参数 数值 额定输入电压 输出电压参考值 输出电压纹波 负载电阻 开关频率 抗扰动能力 55 电感 ： 由根据能量守恒原理得（ 为 Boost 变换器电感电路连续导通时的中间值）， 当输出最小负载电流 时，即 ，也就是 Boost 变换器处于临界状态时， (3) - 2 - E1ILgVTDCI0IdICR0VETgV1DLCR0VTDsT0V01EVDLiCv10110LcLccLdivEidtLLuLdvviCCRCdtE24VrefV48VppV1%R5sf20ZkH20%LmidI000001midmidEITVITVIIIED0minI2midII
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (4) 计算可得 ，此时的电感值决定电路电感电流连续与否，通常电路滤波电感取 临界值的 2~3 倍，这里 取 。 60 电容 ： 当开关管 导通时，即 时，电容电压变化的斜率为 输出电压峰峰值 可表示为斜率与时间的乘积，即： 式(6)经整理可得 (5) (6) (7) 计算可得 ，为满足输出电压纹波要求，这里 取 。 65 2 滑模理论 滑模变结构控制是一种非线性控制方法，是高频开关控制的状态反馈系统，通过满足一 定的控制律，能够将受控系统的状态轨迹引向一个预先指定的滑模面，随后，系统的状态轨 迹就被限定在这个平面上。 变结构系统的定义可以阐述如下，设非线性控制系统： 70 式中， 和 分别为系统的状态变量和控制输入， 表示实数矩阵， 表示矩阵的维数。 变结构控制的目的就是要确定切换函数 ，并寻求控制律,控制律按照下列逻辑进行 (8) 切换： 这里变结构体现在 ，使得系统的相轨迹从任意初始状态出发，都能在有限时间 内达到切换面 （此过程称为趋近运动），之后就被约束在 的子空间中作小幅度、 75 高频率的上下运动（此过程称为滑模运动），直至到达系统的稳定平衡点。 (9) - 3 - 0min0min0min200min 12 12(1) 2(1) 2midsIIIDIEDTDLEDDTLIVDDfI51.610LHL69010HCT1u()()ccdvtitVdtCRC2v2sVvDTRC002ssppVIDCDTvRfV4510CFC3310F()(,)(,),,nxtftxgtxuxRuRtRxuRn()sx(),()0()(),()0uxsxuxuxsx()()uxux()sx()0sx
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2 滑模运动轨迹 3 控制器设计 与滑模运动的阶段相对应，控制器的设计步骤包括以下两个相对独立的部分： 80 （1）构造一个合适的切换函数 即滑模面，使它所确定的滑动模态渐近稳定且具有良好 的动态品质； （2）设计滑动模态控制率 ，使系统的轨迹能在有限时间内到达滑模面。 由于仿真电路采用的是变换器的拓扑结构形式，开关管输入的是数字信号，为使控制简 单易懂，根据开关逻辑选择控制律 ={0,1}。 85 Boost 变换器滑模面切换函数取为： 即 对滑模面进行可达性分析： 当 时，有 ，得 当 时，有 ，得 (10) (11) (12) (13) (14) 综上所述，当 时 ， 满足滑模控制的可达性条件。 90 时 ， 满足滑模控制的可达性条件。 4 仿真结果对比分析 本文对基于滑模控制的 Boost 变换器在 simulink 中进行仿真，采用固定步长 ode1，步长 为 。经调试 。 - 4 - ()0sx()0sx()0sxss()sx()uxu1000sus1()2sgnsu1200()LrefskIkVVVdt1212(1)(1)cccLLcrefcrefdvuvvdiuiEskkvVkkvVdtdtLLCRC0s0u340012124103.22.38410015crefEVVIskkvVkkLCRC0s1u34012124103.22.38410015crefVEskkvVkkLRC34124103.22.38410015kk0ss0ss611043122.510,2.510kk
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 95 图 3 滑模控制的 Boost 变换器输出电压波形 分析 Boost 变换器输出电压波形可知，输出电压 48V，调节时间为 0.0128s，电压纹波 在 47.99V~47.01V 之间，无稳态偏差。说明滑模控制的 Boost 变换器输出电压能很好的跟踪 参考电压。 为说明滑模控制的 Boost 变换器响应速度快，鲁棒性强的特点，现从以下三个方面分别 100 与 PI 进行对比： 4.1 变换器启动特性对比分析 Boost 变换器采用 PI 控制时，控制器传递函数： ，经调试获得最佳的比 例和积分系数分别为： 。 105 图 4 Boost 变换器输出电压过渡过程对比图 表 2 Boost 变换器输入电压过渡过程参数对比 经典 PI 滑模 调节时间 0.0483s 0.0128s 稳态电压 48V 48V 电压纹波 0.127V 0.02V 观察图 4 和表 1，采用两种控制方法时，输出电压均没有稳态误差，但滑模控制的调节 时间和电压纹波略微小于 PI 的。对比来看，滑模控制时变换器启动性能略优于 PI。 4.2 输入电压扰动时变换器性能对比分析 110 变换器输入电压在 0.2s 由 24 上升至 30V 时，电压增加了 25%。 - 5 - 00.050.10.15010203040506070时间/s输出电压/V1spiGKKs0.00331.3piKK，00.050.10.15010203040506070时间/s输出电压/V PI传统滑模
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 5 Boost 变换器输入电压扰动时输出电压对比图 表 3 Boost 变换器输入电压扰动输出电压对比 经典 PI 滑模 电压超调量 12.888V 0.3629V 恢复时间 0.07s 0.013s 扰动后偏差 无 无 观察图 7 和表 2，在 0.2s 输入电压发生扰动时，滑模控制输出电压超调量相比 PI 小很 115 多，恢复时间也较小，另外两者控制时扰动后均没有稳态偏差。因此，PCL 二阶滑模算法对 输入干扰极不敏感，鲁棒性更强，响应更快。 4.3 负载电阻扰动时变换器性能对比分析 变换器负载电阻在 0.25s 由 下降至 ，电阻减少了 50%。 120 图 6 Boost 变换器负载电阻扰动时输出电压对比图 表 4 Boost 变换器负载电阻扰动时输出电压对比 经典 PI 滑模 电压跌落量/V 恢复时间/s 扰动后偏差/V 3.912V 1.70V 0.045s 0.015s 无 无 观察图 8 和表 3,Boost 变换器负载电阻扰动时，采用滑模控制时输出电压的跌落量明显 小于 PI 控制的，而且恢复时间少于 PI 控制的。对比来看，负载电阻扰动时，滑模控制响应 速度更快，鲁棒性更强。 - 6 - 0.20.210.220.230.240.254648505254565860时间/s输出电压/V PI传统滑模52.50.250.2550.260.2650.270.2750.280.2854444.54545.54646.54747.54848.5时间/s输出电压/V PI传统滑模
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 5 结论 本文设计了一种 Boost 电源变换的滑模控制器，滑模面新颖，参数设计简单，克服了由 于 Boost 变换器为非最小相位系统引起的系统控制问题。仿真分析表明：滑模控制时系统收 敛速度快，无稳态误差。在系统输入电压和负载电阻大扰动下，与经典 PI 相比，滑模控制 输出电压响应速度更快，鲁棒性更强。 130 [参考文献] (References) [1] 郑昕昕,肖岚,王勤.基于航空交流电网的 Boost/半桥组合式软开关谐振 PFC 变换器[J].中国电机工程学 报,2011,31(9):50-57. [2] 孙文,林平,卢冶等.用于电动汽车的双向 DC/DC 变换器控制设计[J].电力电子技术,2012,46(7):40-42. [3] Salah Laghrouche,Jianxing Liu,F-S.Ahmed,Mohammad Harmouche and MaximeWack,Adaptive Second-Order Sliding Mode Observer-Based Fault Reconstruction for PEM Fuel Cell Air-Feed System.IEEE Transactions on Control Systems Technology,23(3),1098-1109,2015. [4] 张涌萍,张波,丘东元.DC-DC 变换器双线性系统建模及基于李亚普诺夫直接法的控制方法[J].中国电机工 程学报, 2008, 28(9): 7-11. [5] 胡文金,周东华.基于强跟踪滤波器的 DC-DC 变换器自适应控制[J].清华大学学报:自然科学版,2008(S2). [6] 乐 江 源 , 谢 运 祥 , 洪 庆 祖 等 .Boost 变 换 器 精 确 反 馈 线 性 化 滑 模 变 结 构 控 制 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报,2011,31(30):16-23. [7] 皇甫宜耿 , 王毅 , 赵冬冬等 . 一种鲁棒高阶 滑模 super-twisting 算法 的全 桥逆变 器 [J]. 西北工业 大 学 报,2015,33(2):315-319. [8] 皇 甫 宜 耿 , 吴 宇 , 马 瑞 卿 . 一 种 鲁 棒 无 抖 颤 滑 模 控 制 的 Buck-Boost 变 换 器 [J]. 西 北 工 业 大 学 学 报,2014,32(2):285-289. [9] 兰华,艾涛,王颢雄.BOOST 变换器恒频滑模变结构控制研究与仿真[J].电测与仪表,2008,45(10):58-61. [10] 伍言真,丘水生,陈艳峰.DC/DC 开关变换器滑模变结构控制的新方案[J]. 电子学报,2000,28(5):62-64. [11] Siew-Chong Tan,Y.M.Lai,Chi K.Tse,Luis Martínez-Salamero etc. A Fast-Response Sliding-Mode Controller for Boost-Type Converters With a Wide Range of Operating Conditions.IEEE transactions on industrial electronics.2007,54(6):3276-3286. [12] 嵇保健,赵剑锋.DC/DC 变换器数字控制方法研究[J].电力电子技术,2010 (4):29-30. [13] He Y,Luo F L.Sliding-mode control for dc-dc converters with constant switching frequency[C]//Control Theory and Applications,IEE Proceedings.IET,2006,153(1):37-45. [14] 兰华,艾涛,陈健怡.基于 Boost 逆变器的小型永磁风力发电机并网滑模控制[J].2008 中国电力系统保护与 控制学术研讨会论文集,2008. 135 140 145 150 155 - 7 -
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料