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

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)具有的開關(guān)個數(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建模法、狀態(tài)空間平均法、電路平均法、大信號建模法。狀態(tài)空間平均法就是從DC-DC開關(guān)變換器工作過程中的所有子拓展結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)護法，利用時間來加權(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(xù)和連續(xù)導通模式。電路平均法實際上就是依據(jù)電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過時間平均加權(quán)技術(shù)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(jié)構(gòu)，進行大量計算[2]。

3 基于線性控制方法設(shè)計Buck變換器控制器

現(xiàn)階段，已經(jīng)被大量運用的單閉環(huán)控制方式屬于線性控制，主要就是利用點反饋形成閉環(huán)控制方案，這種方法是設(shè)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(shè)計相應的線性控制器，然后通過PWM控制器來達到控制開關(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，不能及時響應輸入擾動，所以，具有比較慢的電路動態(tài)反應速度，需要具有比較大的超調(diào)，會在一定程度上由于環(huán)路增益來限制帶寬，出現(xiàn)比較長的動態(tài)時間，此外，還需要適當引入電壓波動到電源側(cè)，因而使得具有比較低的控制精度，這種方式比較簡單，很容易控制。

4 基于非線性控制方法設(shè)計Buck變換器控制器

滑膜控制是一種變結(jié)構(gòu)控制，通過轉(zhuǎn)換不同結(jié)構(gòu)來達到實現(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，主要設(shè)計理論思路就是通過切換開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證可以使系統(tǒng)切線從所有出發(fā)點都可以輸送到預先設(shè)計的滑動面中，沿著滑動面繼續(xù)運動直到運行到穩(wěn)定位置，在實際建立的過程中，需要保證傳動系統(tǒng)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(chǔ)面上，所以，容易導致出現(xiàn)劇烈運動。以此開始大力研究基于更加復雜方式的控制設(shè)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(jīng)過多年的研究和分析，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，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(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)和響應問題；第二，利用擴張狀態(tài)觀測器來有效檢測綜合擾動以及系統(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(xiàn)實例

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。

其中四個子模塊包括擴張狀態(tài)觀測器、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(diào)整跟蹤微分器參數(shù)，并且找到適合的過度方式，調(diào)整完成以后，不會受到影響；在合理調(diào)整擴張情況下的參數(shù)，確保可以迅速找到跟蹤信號，為提取微分和狀態(tài)信號提供保證，此外，還具有一定系統(tǒng)擾動量；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)與實際數(shù)值，如果進入穩(wěn)定區(qū)域，具備比較強的適應性?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(xiàn)波動，但是十分微弱，可以在短時間內(nèi)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(jié)束語

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(shù)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(jié)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(qū)域系統(tǒng)建模及控制方法研究[D].重慶大學，2011.

[4]陸治國.無復位開關(guān)的單周控制新方法研究[J].深圳信息職業(yè)技術(shù)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(shù)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(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。