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開關變換器建模的實際方式是研究開關電源的保障，對于分析和設計開關電源具有很大作用。傳統模型與實際電路之間存在一定偏差是設計開關變換器中重要的問題。以此，文章分析了DC-DC開關變化器的建模，可以在一定程度上促進優化開關電源的性能以及提高設計效率。

關鍵詞：直流-直流變換器；建模分析；PID控制；非線性控制

1 DC-DC概述

在電路基礎波形工作的前提下，充分研究DC-DC變換器，電子設備中，一次電源就是整流器，二次電源就是DC-DC變換器。二次電源可以用來把振幅、頻率等不可調方式下的直流振幅轉變為可調的振幅、頻率直流電壓，上述過程可以很好地增加輸出電能功率因數，所以，也可以叫做功率因數變換器。依據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具有的開關個數可以分為三類，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建模法、狀態空間平均法、電路平均法、大信號建模法。狀態空間平均法就是從DC-DC開關變換器工作過程中的所有子拓展結構的實際狀態護法，利用時間來加權平均處理，以此可以得到統一的原電路狀態方程，利用線性化和小信號擾動來處理，得到等效電路模型。相比較原來方式，這種方式不是十分容易理解，并且具體有不同的斷續和連續導通模式。電路平均法實際上就是依據電路結構為基礎，通過時間平均加權技術來合理分析電路，在不斷增加電路元件以后，需要能夠得到一定拓撲結構，進行大量計算[2]。

3 基于線性控制方法設計Buck變換器控制器

現階段，已經被大量運用的單閉環控制方式屬于線性控制，主要就是利用點反饋形成閉環控制方案，這種方法是設計DC-DC變換器中最早使用的一種控制形式，主要就是通過參考電壓和輸出電壓差值來設計相應的線性控制器，然后通過PWM控制器來達到控制開關通斷的目的，最后能夠保證輸出電壓系統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，不能及時響應輸入擾動，所以，具有比較慢的電路動態反應速度，需要具有比較大的超調，會在一定程度上由于環路增益來限制帶寬，出現比較長的動態時間，此外，還需要適當引入電壓波動到電源側，因而使得具有比較低的控制精度，這種方式比較簡單，很容易控制。

4 基于非線性控制方法設計Buck變換器控制器

滑膜控制是一種變結構控制，通過轉換不同結構來達到實現控制系統的目的，主要就是具有不連續控制的控制特點，主要設計理論思路就是通過切換開關系統結構，保證可以使系統切線從所有出發點都可以輸送到預先設計的滑動面中，沿著滑動面繼續運動直到運行到穩定位置，在實際建立的過程中，需要保證傳動系統具有一定時滯性和切換慣性，促使不能確定的運行到滑動基礎面上，所以，容易導致出現劇烈運動。以此開始大力研究基于更加復雜方式的控制設計，以便于可以解決目前滑塊不利于抖動的問題，具有響應速度快特點、并具有比較強的抗干擾能力[3]。（圖2）

經過多年的研究和分析，逐漸發展出基于非線性控制規律技術，也就是抗干擾控制技術，具有傳統PID技術的優點，可以從根本上提高傳統PID技術的不足，而形成的新設計控制器思路。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，利用跟蹤微分器來實時跟蹤控制系統裝套和各階段微分，避免發生傳統PID方式中的超調和響應問題；第二，利用擴張狀態觀測器來有效檢測綜合擾動以及系統狀態；第三，利用非線性狀態誤差反饋系統來達到大誤差小增益、小誤差大增益的控制形式。

5 非線性控制硬件仿真的實現實例

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

其中四個子模塊包括擴張狀態觀測器、跟蹤微分器、BUCK變換器以及非線性狀態誤差反饋，依據3=-c0？孜2-c1（x1-？琢0）2-c2（x2-？琢1）2公式計算，設定電路仿真參數是：C=10uF，L=270mH，額定輸入電壓Vi是8V；額定負載R=5Ω，參考輸出電壓是4V。在仿真過程中，首先需要合理的調整跟蹤微分器參數，并且找到適合的過度方式，調整完成以后，不會受到影響；在合理調整擴張情況下的參數，確保可以迅速找到跟蹤信號，為提取微分和狀態信號提供保證，此外，還具有一定系統擾動量；有效調節非線性反饋參數，確保具有比較理想的系統性能。最后確定仿真系統與實際數值，如果進入穩定區域，具備比較強的適應性。可以發現，自抗擾控制方式對于抑制負載電流干擾和電源輸入電壓具有很強能力，能夠很快響應，雖然會突然變化負載和電壓，輸出電壓出現波動，但是十分微弱，可以在短時間內進行恢復，以便于可以證明自抗擾控制器具有一定適應性[4]。

6 結束語

總而言之，現階段，大部分控制技術都是利用線性組合狀態變量的方式來形成滑膜切面，上述方式相對簡單，在實施時候，還是會存在缺陷，例如，不可以測量反饋變量等問題，但是自抗擾控制，在實施的時候，自抗擾控制器很難達到選擇多項參數的目的，因此，需要在實際應用中合理使用上述兩種控制形式，此外，還可以適當結合其他控制方式，保證具有比較高的效率。

參考文獻

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

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

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

[4]陸治國.無復位開關的單周控制新方法研究[J].深圳信息職業技術學院學報，2010，3（1）.

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

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