带恒功率负载的DC/DC变换器微分平坦建模与控制

摘要

随着电力电子功率变换拓扑日益复杂化，多级级联式DC/DC变换器系统的稳定性问题越来越受到广泛的关注。能输出稳定电压的DC/DC变换器模块，本身就相当于恒功率负载，其具有的负阻抗特性使得线性化后的级联系统成为非最小相位系统，因而采用常规的PI调节器构成的闭环系统很难保证具备较好的动静态性能。基于微分平坦理论的非线性控制方法能够完整地描绘系统的状态转移轨迹和控制规律，并且在选择适当的平坦输出量的基础上，能够将具备强非线性特征的DC/DC变换器系统转换为线性系统，方便采用李雅普诺夫定理设计相对应的控制器。结果表明，基于该理论设计的非线性控制器能使带恒功率的交直流变换器稳定、可靠、性能更优。
　　本文采用两级DC/DC变换器为研究对象，前级采用单管Boost电路作为源变换器，后级采用能输出稳定电压的BUCK变换器作为恒功率负载。在选择输入功率作为平坦输出量的基础上，将源变换器的状态空间方程转变为具有微分平坦特征的数学模型。之后，详细地介绍了采用李雅普诺夫函数设计控制器的过程以及采用改进型蚁群算法对控制器中的未知参数加以确定、寻优的方法，并通过芭芭拉引理证明了系统的稳定性。最后，采用MATLAB/SIMULINK对带恒负载的Boost变换器微分平坦闭环控制系统进行仿真，结果表明该控制规律是可行、有效的。
　　本文第三、四章集中介绍了能验证该控制方案的实验平台的软硬件设计过程.最后，在实验室研制出了一台能输出恒定的100W～150W的级联样机。对试验样机进行测试，获取到了相关实验波形和数据，且实验结果符合预期指标，从而验证了本文所采用的控制方案的正确性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 DC／DC变换器建模及控制理论的研究现状

1．2．2 带恒功率负载的DC／DC变换器的研究现状以及趋势

1．2．3 国内外微分平坦控制理论的研究与发展状况

1．3 研究内容

第二章 Boost变换器微分平坦建模与控制律设计

2．1 微分平坦控制理论介绍

2．2 微分平坦建模与控制

2．2．1 Boost变换器微分平坦建模

2．2．2 Boost变换器微分平坦控制律的设计

2．2．3 稳定性分析

2．2．4 改进蚁群算法优化微分平坦控制参数

2．3 Matlab仿真分析

2．3．1 蚁群算法优化仿真

2．3．2 微分平坦控制仿真

2．4 本章小结

第三章 系统硬件电路设计

3．1 源变换器硬件设计

3．1．1 源变换器设计指标

3．1．2 主电路电感设计

3．1．3 整流桥的选取

3．1．4 开关管和输出二极管的选取

3．1．5 输出电容选择

3．1．6 输入输出电压、输入电流采样电路设计

3．1．7 驱动电路设计

3．1．8 保护电路设计

3．2 Buck负载变换器硬件设计

3．2．1 Buck变换器输出电感设计

3．2．2 Buck电路主要元器件选择

3．2．3 Buck驱动电路设计

3．2．4 Buck电路调节器设计

3．3 辅助电源设计

3．4 DSP芯片选型及最小系统设计

3．4．1 下载电路设计

3．4．2 电源供电及复位电路设计

3．4．3 有源晶振电路设计

3．5 本章小结

第四章 系统软件设计

4．1 DSP软件开发环境简介

4．2 DSP软件程序设计

4．2．1 PWM产生原理

4．2．2 采样算法研究及DSP实现

4．2．3 数字滤波器设计

4．2．4 软启动程序设计

4．2．5 微分平坦控制算法软件实现

4．3 本章小结

第五章 实验结果分析

5．1 实验结果

5．1．1 Boost变换器微分平坦实验波形

5．1．2 负载变换器实验波形

5．1．3 线性辅助电源输出电压波形

5．2 对比实验分析与结论

5．3 试验平台实物图及电路原理图

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来研究与展望

参考文献

致谢

在学期间发表过的学术论文和研究成果