基于整數階PI無源控制的Boost變換器研究

吳朝俊，閆 開，劉 璋，楊寧寧

(1.西安工程大學電子信息學院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學電氣工程學院，陜西 西安 710048)

Boost型DC-DC變換器由于具有快速實現升壓變換的功能，因此被廣泛應用于新能源并網和電力電子領域[1]。Boost變換器通常采用電壓外環和電流內環的雙閉環整數階PI控制策略，雙閉環整數階PI控制由于設計簡單，被應用于反饋控制系統中[2-3]。

但針對負載擾動、電子元器件參數變化等問題，雙閉環整數階PI控制的動態、靜態控制性能不佳。為了快速提升Boost型DC-DC變換器的動態和靜態控制性能，研究學者采用了大量的非線性控制策略，以期提高該變換器的控制性能。常用的非線性控制策略包括滑?？刂?、協同控制和無源控制等。文獻[4-5]講述了在滑模控制的基礎上，引入了PI控制，其控制策略的優點是使系統具有更好的魯棒性且極大地抑制了電感電流的超調，其缺點為系統存在較明顯的輸出電壓穩態誤差。文獻[6]提出了協同無源控制，其控制策略在一定程度上減少了系統電感電流的超調，其缺點是控制策略復雜。為了提高變換器的控制性能，將無源控制應用于各類工程問題中，無源控制的理論依據是能量耗散原理。該理論是將被控系統能量互換于控制器，從而靈活地調節被控系統的阻尼，以期降低系統的瞬態超調量[7]。

為此，對DC-DC變換器的控制而言，為了實現其在負載擾動和電感參數改變條件下，系統能快速地穩定到期望平衡點，本文采用Boost變換器作為控制對象，將無源控制和整數階PI控制的優點相結合，在負載擾動和系統阻尼參數改變的條件下，對整數階PI無源控制進行了研究，并將其控制性能和無源控制性能進行了對比。最后，通過仿真和電路實驗驗證了該方法的硬件可行性。

1 Boost變換器的無源性分析

Boost變換器的主電路如圖1所示，由全控型器件V、電容器C及二極管D組成。當驅動信號ug=1(高電平)時，V導通，電感L存儲磁場能，D關斷，電容C向負載R放電；當驅動信號ug=0(低電平)時，V關斷，D導通，負載電阻R和電容C由電源和電感L共同供電。

圖1 Boost型直流/直流變換器

2 整數階PI無源控制器設計

2.1 整數階PI無源控制律

2.2 無源PI控制器分析

3 不同控制策略下Boost變換器的仿真分析

Boost變換器主電路的參數如表1所示。

通過對無源控制和整數階PI無源控制進行深入的分析可知，假設無源控制的阻尼為αa1，其控制性能和比例系數KP對系統的調節作用是一致的，但KP無法從根本上消除整個系統的靜態誤差，且KP超過一定的范圍后，系統會產生超調或振蕩的問題。而整數階PI控制中積分系數KI能有效調整系統的超調量，提高其動態穩定性，因此，為了實現iL追蹤到iL*，引入整數階PI控制中的積分系數KI作為附加控制因子，采用了整數階PI無源控制策略。文獻[10-11]選用Cohen-Coon法整定控制系統PI控制器參數，代入已知系統傳遞函數，得出系統阻尼條件下整數階PI無源控制器的KP、KI值。無源控制和整數階PI無源控制策略下系統阻尼改變和PI參數動態比較如圖2所示。由圖2可知，相比無源控制，整數階PI無源控制的電感電流能夠快速地追蹤到期望電感電流1.6 A且具有較強的魯棒性。

表1 Boost變換器主電路參數

圖2 系統阻尼改變時無源控制和整數階PI無源控制的電感電流對比圖

4 整數階PI無源控制Boost變換器實驗研究

4.1 整數階PI無源控制的實驗過程

無源控制策略和整數階PI無源控制策略先通過MATLAB/Simulink仿真測試，再采用快速控制原型仿真技術的電路實驗對其進行驗證。本實驗由主機、NI設備、RCP、I/O口、Boost硬件電路、示波器、電子負載、可編程直流電源、輔助電源等組成(圖3)。實驗操作步驟如下：首先將Boost硬件電路的接口與NI設備中I/O接口相連，隨之在RCP軟件中應用Simulink編寫的控制算法，上電后，最后通過示波器采集Boost電路上的電流值。

4.2 實驗結果分析

圖3 Boost變換器的實驗平臺

圖4 系統阻尼改變時無源控制和整數階PI無源控制的電感電流對比圖

當系統阻尼改變時，無源控制和整數階PI無源控制的電感電流比較如圖4所示。相比無源控制，整數階PI無源控制均能快速上升至期望平衡點且電感電流均為1.6 A。因此，整數階PI無源控制策略能使電感電流快速上升至期望電感電流并且具備較強的魯棒性。

5 結論

為了快速減小Boost變換器的電流超調問題，本文采用了整數階PI無源控制策略。首先，在Boost變換器EL數學模型的基礎上設計了整數階PI無源控制器，以提高系統的收斂速度。其次，引入積分系數作為附加控制因子，隨后根據Cohen-Coon法來獲取系統最優控制參數，從而極大地降低了Boost變換器電流的超調量。仿真結果表明，相比無源控制，整數階PI無源控制策略能夠快速地達到期望平衡點，且有效地提高了系統的動態穩定性。最后，通過電路實驗驗證了整數階PI無源控制器的硬件可行性。