一種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck變換器設(shè)計

汪垚

[摘 要]文章討論了滑模變結(jié)構(gòu)控制理論在Buck變換器上的應(yīng)用，并依據(jù)該理論方法設(shè)計了一種基于PWM技術(shù)的滑模控制器。該方法可以很好地解決滑模變結(jié)構(gòu)控制器的性能受Buck變換器開關(guān)頻率影響的問題。實驗結(jié)果表明，這種方式能有效提高Buck變換器的準(zhǔn)確度和動態(tài)響應(yīng)，并增強(qiáng)其對負(fù)載突變和輸入電壓波動的魯棒性。

[關(guān)鍵詞]PWM；Buck變換器；動態(tài)響應(yīng)；魯棒性；滑模控制器

[中圖分類號]TM46 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

Buck型電路已被廣泛用于我們的日常生活中，特別是在手機(jī)、GPS（Global Positioning System，簡稱GPS）和其他移動多媒體設(shè)備上。移動互聯(lián)網(wǎng)的普及使得電子器件對電源的要求越來越高，近年來，許多學(xué)者被高性能降壓轉(zhuǎn)換器電路的研究所吸引，特別是控制技術(shù)的創(chuàng)新在其上面的應(yīng)用。由于其效率高、體積小、操作簡單結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)點，同步Buck變換器已經(jīng)在信息通訊、IT行業(yè)、航空航天、數(shù)字系統(tǒng)和我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著時代對高性能Buck變換器的需求，最近幾年Buck變換器的控制技術(shù)已成為研究重點。其中，滑模控制理論和技術(shù)在Buck電路中的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)較好的結(jié)果。

滑模控制比較突出的特點就是可以很好地應(yīng)對系統(tǒng)的不確定性， 對系統(tǒng)外部的干擾以及動態(tài)因素都有比較出色的魯棒性， 尤為可貴的是，其對非線性系統(tǒng)的控制效果表現(xiàn)出色。而且由于變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、算法比較簡單、跟隨性好的特點，因此在控制領(lǐng)域有著比較廣泛的應(yīng)用。又因為滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對其外部參數(shù)的變化具有良好的魯棒性，因而在DC / DC（Direct Current/Direct Current，簡稱DC / DC）變換器中得到了廣泛的應(yīng)用。從理論上講，這種控制方法需要器件擁有無限迅速的切換速度，由于這個原因，大多數(shù)的滑模控制系統(tǒng)都采用滯環(huán)技術(shù)來限制開關(guān)器件的頻率，但是，滯環(huán)帶的寬度很難確定。由于開關(guān)頻率的不確定，對于輸入、輸出來說，過濾并獲得未失真的信號將會變得很難。因此，為了限制開關(guān)頻率，該理論分為兩個步驟。首先，采用遲滯滑模控制來限制開關(guān)器件的頻率，但滯環(huán)帶寬的不確定性也導(dǎo)致了開關(guān)頻率的不確定性，因此在實際應(yīng)用中存在一定的困難。關(guān)于這一點，有相關(guān)研究人員提出了一種固定頻率的滑模控制技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，本文提出了一種基于滑模控制的控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于Buck變換器。這種方法使用滑動控制器來調(diào)整PWM（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）占空比，從而實現(xiàn)控制并保持變頻器輸出電壓穩(wěn)定，達(dá)到開關(guān)頻率固定的要求。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)表明，利用該方法能有效提高Buck變換器的動態(tài)性能，并且對系統(tǒng)參數(shù)的變化具有較好的魯棒性。

1 Buck變換器的數(shù)學(xué)模型

Buck變換器整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中U0、Ui、Uref、u是Buck變換器的參數(shù)，分別代表了輸出電壓、輸入電壓、參考電壓和滑動控制器的輸出。

3.3 PWM信號生成電路

實際電路采用脈寬調(diào)制芯片TL494，該芯片的振蕩頻率固定，其具體數(shù)值fosc是由和5、6引腳相連的電阻RT和電容器CT的大小決定，，在本設(shè)計中，RT=110KΩ，CT= 0.01uF，頻率設(shè)置為100 kHz。根據(jù)芯片TL494用戶手冊的說明，當(dāng)引腳3的反饋電壓U3從0.5V變化到3.5V時，由TL494芯片產(chǎn)生的PWM信號d的占空比從0%變化到96%。所以我們可以得到U3和d之間的關(guān)系為：

芯片TL494的14管腳可以提供5V的參考電壓，在實際電路中，我們使用該參考電壓和穩(wěn)壓二極管來構(gòu)成3.5 V的穩(wěn)壓電路。TL494的引腳1和引腳2是TL494中一個運算放大器的輸入，引腳3是該運放的輸出，所以它可以幫助我們形成求和電路，用來實現(xiàn)公式（19）的加法運算。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 靜態(tài)性能測試

（1）參考電壓為6V，確保輸入電壓為14V，并且負(fù)載電阻PR2在5Ω-25Ω的范圍內(nèi)變化，輸出電壓的穩(wěn)定值在5種測試情況下結(jié)果如表一所示：

從上表數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)輸出電壓的最大穩(wěn)態(tài)誤差是0.08V，與系統(tǒng)設(shè)定參考量的偏差率僅為1.33%，輸出電壓對負(fù)載電阻的變化率約為0.004 V/ Ω。

（2）參考電壓為6 V，保證負(fù)載電阻PR2不變，使系統(tǒng)輸入電壓在lOV至24V范圍內(nèi)變化時，輸出穩(wěn)定電壓在5種測試情況下的穩(wěn)態(tài)值如表二所示：

從上表數(shù)據(jù)可以看出，最大輸出穩(wěn)態(tài)誤差數(shù)值為0.04V，與系統(tǒng)參考量的偏差率僅為0.067%，輸出電壓對輸入電壓的平均變化率為2.86mV/V。

4.2 動態(tài)性能測試

（1）首先保持轉(zhuǎn)換器的輸入電壓不變，輸出參考電壓Uref= 6V，當(dāng)負(fù)載電阻PR1瞬間接入電路時，負(fù)載的突變導(dǎo)致輸出電壓波動約為600mV，但在約3ms內(nèi)便又返回參考電壓。當(dāng)負(fù)載增加的時候，電路的輸出阻抗會增大，所以輸出電壓Uo會隨著波動而增加，感應(yīng)電流會減小。

（2）保持轉(zhuǎn)換器輸入電壓恒定，輸出參考電壓Uref= 6V，當(dāng)負(fù)載電阻PR1瞬間降低時，負(fù)載突變導(dǎo)致輸出電壓波動約為500mv，但它大約4 ms內(nèi)返回參考電壓。當(dāng)負(fù)載減小時，電路的輸出阻抗會降低，輸出電壓U0會隨著波動而減小，感應(yīng)電流會增加。

5 結(jié)語

本文以Buck變換器為設(shè)計目標(biāo)，應(yīng)用Buck變換器技術(shù)中的PWM控制方法，該方法解決了降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率影響滑模變結(jié)構(gòu)控制器性能的問題，并介紹了固定頻率滑模控制器的理論推導(dǎo)和設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該方法具有良好的魯棒性和快速的動態(tài)響應(yīng)。

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