Buck變換器建模與非線性控制方法研究

劉大偉　劉以建

摘 要：分析DC-DC開(kāi)關(guān)變換器建模的實(shí)際方式是研究開(kāi)關(guān)電源的保障，對(duì)于分析和設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源具有很大作用。傳統(tǒng)模型與實(shí)際電路之間存在一定偏差是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)變換器中重要的問(wèn)題。以此，文章分析了DC-DC開(kāi)關(guān)變化器的建模，可以在一定程度上促進(jìn)優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的性能以及提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：直流-直流變換器；建模分析；PID控制；非線性控制

1 DC-DC概述

在電路基礎(chǔ)波形工作的前提下，充分研究DC-DC變換器，電子設(shè)備中，一次電源就是整流器，二次電源就是DC-DC變換器。二次電源可以用來(lái)把振幅、頻率等不可調(diào)方式下的直流振幅轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)的振幅、頻率直流電壓，上述過(guò)程可以很好地增加輸出電能功率因數(shù)，所以，也可以叫做功率因數(shù)變換器。依據(jù)輸入輸出是否存在隔離，可以把DC-DC變換器分為兩種，隔離式和不隔離式；不隔離直流變換器依據(jù)具有的開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)可以分為三類，雙管、單管、四管，其中單管可以分為六種，包括Buck變換器、Buck-Boost變換器、Boost變換器、Cuk變換器、Zeta變換器、Sepic變換器，文章主要研究Buck變換器建模與非線性控制方法[1]。

2 Buck變換器建模的方法

DC-DC變換器建模方式具有很多種方式，其中比較常用的就是小信號(hào)建模法、狀態(tài)空間平均法、電路平均法、大信號(hào)建模法。狀態(tài)空間平均法就是從DC-DC開(kāi)關(guān)變換器工作過(guò)程中的所有子拓展結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)護(hù)法，利用時(shí)間來(lái)加權(quán)平均處理，以此可以得到統(tǒng)一的原電路狀態(tài)方程，利用線性化和小信號(hào)擾動(dòng)來(lái)處理，得到等效電路模型。相比較原來(lái)方式，這種方式不是十分容易理解，并且具體有不同的斷續(xù)和連續(xù)導(dǎo)通模式。電路平均法實(shí)際上就是依據(jù)電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)時(shí)間平均加權(quán)技術(shù)來(lái)合理分析電路，在不斷增加電路元件以后，需要能夠得到一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行大量計(jì)算[2]。

3 基于線性控制方法設(shè)計(jì)Buck變換器控制器

現(xiàn)階段，已經(jīng)被大量運(yùn)用的單閉環(huán)控制方式屬于線性控制，主要就是利用點(diǎn)反饋形成閉環(huán)控制方案，這種方法是設(shè)計(jì)DC-DC變換器中最早使用的一種控制形式，主要就是通過(guò)參考電壓和輸出電壓差值來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的線性控制器，然后通過(guò)PWM控制器來(lái)達(dá)到控制開(kāi)關(guān)通斷的目的，最后能夠保證輸出電壓系統(tǒng)具有符合參考的電壓。這種非線性控制是把電壓作為基本反饋量，不能及時(shí)響應(yīng)輸入擾動(dòng)，所以，具有比較慢的電路動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度，需要具有比較大的超調(diào)，會(huì)在一定程度上由于環(huán)路增益來(lái)限制帶寬，出現(xiàn)比較長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間，此外，還需要適當(dāng)引入電壓波動(dòng)到電源側(cè)，因而使得具有比較低的控制精度，這種方式比較簡(jiǎn)單，很容易控制。

4 基于非線性控制方法設(shè)計(jì)Buck變換器控制器

滑膜控制是一種變結(jié)構(gòu)控制，通過(guò)轉(zhuǎn)換不同結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的目的，主要就是具有不連續(xù)控制的控制特點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)理論思路就是通過(guò)切換開(kāi)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證可以使系統(tǒng)切線從所有出發(fā)點(diǎn)都可以輸送到預(yù)先設(shè)計(jì)的滑動(dòng)面中，沿著滑動(dòng)面繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到運(yùn)行到穩(wěn)定位置，在實(shí)際建立的過(guò)程中，需要保證傳動(dòng)系統(tǒng)具有一定時(shí)滯性和切換慣性，促使不能確定的運(yùn)行到滑動(dòng)基礎(chǔ)面上，所以，容易導(dǎo)致出現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)。以此開(kāi)始大力研究基于更加復(fù)雜方式的控制設(shè)計(jì)，以便于可以解決目前滑塊不利于抖動(dòng)的問(wèn)題，具有響應(yīng)速度快特點(diǎn)、并具有比較強(qiáng)的抗干擾能力[3]。（圖2）

經(jīng)過(guò)多年的研究和分析，逐漸發(fā)展出基于非線性控制規(guī)律技術(shù)，也就是抗干擾控制技術(shù)，具有傳統(tǒng)PID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以從根本上提高傳統(tǒng)PID技術(shù)的不足，而形成的新設(shè)計(jì)控制器思路。為了可以有效的提高控制器整體性能，從三方面分析抗干擾控制器：第一，利用跟蹤微分器來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)裝套和各階段微分，避免發(fā)生傳統(tǒng)PID方式中的超調(diào)和響應(yīng)問(wèn)題；第二，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器來(lái)有效檢測(cè)綜合擾動(dòng)以及系統(tǒng)狀態(tài)；第三，利用非線性狀態(tài)誤差反饋系統(tǒng)來(lái)達(dá)到大誤差小增益、小誤差大增益的控制形式。

5 非線性控制硬件仿真的實(shí)現(xiàn)實(shí)例

依據(jù)上述建模方式上建立Buck電路控制模型，依據(jù)Simulink建立仿真模型。

其中四個(gè)子模塊包括擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、跟蹤微分器、BUCK變換器以及非線性狀態(tài)誤差反饋，依據(jù)3=-c0？孜2-c1（x1-？琢0）2-c2（x2-？琢1）2公式計(jì)算，設(shè)定電路仿真參數(shù)是：C=10uF，L=270mH，額定輸入電壓Vi是8V；額定負(fù)載R=5Ω，參考輸出電壓是4V。在仿真過(guò)程中，首先需要合理的調(diào)整跟蹤微分器參數(shù)，并且找到適合的過(guò)度方式，調(diào)整完成以后，不會(huì)受到影響；在合理調(diào)整擴(kuò)張情況下的參數(shù)，確保可以迅速找到跟蹤信號(hào)，為提取微分和狀態(tài)信號(hào)提供保證，此外，還具有一定系統(tǒng)擾動(dòng)量；有效調(diào)節(jié)非線性反饋參數(shù)，確保具有比較理想的系統(tǒng)性能。最后確定仿真系統(tǒng)與實(shí)際數(shù)值，如果進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，具備比較強(qiáng)的適應(yīng)性。可以發(fā)現(xiàn)，自抗擾控制方式對(duì)于抑制負(fù)載電流干擾和電源輸入電壓具有很強(qiáng)能力，能夠很快響應(yīng)，雖然會(huì)突然變化負(fù)載和電壓，輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)，但是十分微弱，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)，以便于可以證明自抗擾控制器具有一定適應(yīng)性[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，現(xiàn)階段，大部分控制技術(shù)都是利用線性組合狀態(tài)變量的方式來(lái)形成滑膜切面，上述方式相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)施時(shí)候，還是會(huì)存在缺陷，例如，不可以測(cè)量反饋?zhàn)兞康葐?wèn)題，但是自抗擾控制，在實(shí)施的時(shí)候，自抗擾控制器很難達(dá)到選擇多項(xiàng)參數(shù)的目的，因此，需要在實(shí)際應(yīng)用中合理使用上述兩種控制形式，此外，還可以適當(dāng)結(jié)合其他控制方式，保證具有比較高的效率。

參考文獻(xiàn)

[1]楊國(guó)超.Buck變換器建模與非線性控制方法研究[D].江南大學(xué)，2010.

[2]尹慧.BUCK變換器非線性控制方法研究[D].黑龍江科技學(xué)院，2010.

[3]劉冬春.功率變換器的區(qū)域系統(tǒng)建模及控制方法研究[D].重慶大學(xué)，2011.

[4]陸治國(guó).無(wú)復(fù)位開(kāi)關(guān)的單周控制新方法研究[J].深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，3（1）.

作者簡(jiǎn)介：劉大偉（1989-），男，漢族，江蘇，碩士研究生，上海海事大學(xué)，電力電子技術(shù)及裝置。

劉以建（1969-），副教授，上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院電氣系副主任，主要從事船舶電氣自動(dòng)化、船舶控制工程與系統(tǒng)仿真技術(shù)、電力電子技術(shù)、電源變換技術(shù)等方面的研究。