三态BOOST型DC/DC变换器输入/输出反馈线性化控制策略的研究

摘要

BOOST型DC/DC变换器广泛应用于汽车、通信、航天航空等领域。随着这些领域不断的技术进步，对BOOST型DC/DC变换器输出电压的调节范围以及动态性能指标的要求也越来越高。考虑到本身非线性和存在不稳定零动态等原因，现有的BOOST型DC/DC系统及其控制策略却难以这些要求。
　　 反馈线性化是基于微分几何理论发展起来的非线性控制器设计方法，其核心思想是通过微分同胚和状态变换，实现非线性项的精确对消，把仿射非线性系统转换为可控的线性系统，再利用线性系统理论进行系统设计。目前，这种方法在BOOST型DC/DC变换器中的应用正在逐渐受到人们的重视。与BUCK型DC/DC变换器相比，有关反馈线性化理论在BOOST型DC/DC变换器的控制器设计方面的研究尤其是样机的实验实现方面较为少见。其主要原因在于：BOOST型DC/DC变换器内部存在一个不稳定的零动态，导致整个系统不稳定，从而增加了控制器的设计难度。目前针对这一问题主要有两套解决方案：一是通过选择新的输出量间接控制原来的被控制量；二是通过改变电路的拓扑结构，从根本上消除由于内部结构造成的不稳定零动态。
　　 本文的工作正是针对上述两套方案展开的。对于第一种间接控制方案，研究表明：对于BOOST型DC/DC变换器，当以电容电压为输出量时，零动态不稳定；但以电感电流为输出量时，零动态却是稳定的。这样可以利用控制电感电流间接完成对电容电压的控制。本文采用电感电流为输出，基于输入/输出反馈线性化设计了非线性控制策略，并且取得了一定程度的稳态和动态性能。
　　 但是由于上述方案是通过控制电感电流来间接的实现对电容电压的控制，因此输出电压易受负载变化和电源电压波动的影响。为此，本文提出了一种采用串级结构的非线性控制策略新方案。针对BOOST型DC/DC变换器不稳定的内动态，本方案以电感电流作为输出量并基于输入/输出反馈线性化来设计其内环控制器。在此基础上为了克服间接控制方案带来的输出电压易受电源电压波动和负载变化影响的缺点，又设计了以电容电压为输出的外环控制器，而外环控制器则采用了具有一定鲁棒性的PI控制器。样机的实验结果表明：与单独的电流环间接控制方案相比，该方案使得系统工作点范围更大、静差更小、动态响应更快、抗干扰性更强。
　　 对于第二种方案，为了从根本上解决BOOST型DC/DC变换器存在的不稳定的零动态，Viswanathan K提出了一种新型拓扑结构的三态BOOST型DC/DC变换器，这种变换器通过引入一个附加的电感电流续流回路来消除不稳定的零动态。鉴于其所设计的以小信号模型为基础的控制策略的性能有待于进一步提高，本文建立了三态BOOST型DC/DC变换器的状态空间平均模型，并在此基础上，针对其多变量、非线性的特点运用基于微分几何理论的输入/输出反馈线性化方法设计了其非线性控制策略。样机的实验结果表明：这种非线性控制策略使系统获得了良好的动静态性能和大范围内的稳态电压输出，并且在系统存在较大的扰动时，仍能确保系统快速到恢复到稳定状态。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 DC/DC变换器的拓扑结构与三态BOOST型DC/DC变换器的引入

1.3 BOOST型DC/DC变换器非线性控制策略的研究现状

1.4 课题的主要研究内容

1.5 章节安排

1.6 本章小结

第二章 三态BOOST型DC/DC变换器及其状态空间平均模型

2.1 传统BOOST型DC/DC变换器及其状态空间平均模型

2.2 三态BOOST型DC/DC变换器及其状态空间平均模型

2.2.1 三态BOOST型DC/DC变换器的工作原理

2.2.2 三态BOOST型DC/DC变换器的状态空间平均模型

2.3 本章小结

第三章 输入／输出反馈线性化与三态BOOST型DC/DC变换器内部特性分析

3.1 微分几何理论的基本概念与方法

3.1.1 微分几何理论的基本概念

3.1.2 微分几何理论的基本方法

3.2 传统BOOST型DC/DC变换器的内部特性分析

3.2.1 内动态与零动态

3.2.2 传统BOOST型DC/DC变换器的零动态分析

3.3 三态BOOST型DC/DC变换器内部特性的分析

3.4 本章小结

第四章 基于输入／输出反馈线性化的三态BOOST型DC/DC变换器非线性控制策略的设计

4.1 传统BOOST型DC/DC变换器输入／输出反馈线性化控制策略的设计

4.1.1 传统BOOST型DC/DC变换器间接输入／输出反馈线性化控制策略的设计

4.1.2 串级结构的传统BOOST型DC/DC变换器输入／输出反馈线性化控制器的新方案

4.2 三态BOOST型DC/DC变换器输入／输出反馈线性化控制策略的设计

4.3 本章小结

第五章 样机及其软硬件设计

5.1 传统BOOST型DC/DC变换器的软硬件设计

5.1.1 系统框图

5.1.2 硬件电路

5.1.3 软件设计

5.2 三态BOOST型DC/DC变换器的软硬件设计

5.2.1 系统框图

5.2.2 硬件电路

5.2.3 软件设计

5.3 本章小结

第六章 样机的实验研究

6.1 传统BOOST型DC/DC变换器的实验研究

6.1.1 传统BOOST型DC/DC变换器的开环特性

6.1.2 传统BOOST型DC/DC变换器输入／输出反馈线性化的样机实验结果与分析

6.1.3 串级结构的传统BOOST型DC/DC变换器输入／输出反馈线性化控制策略的样机实验结果

6.2 三态BOOST型DC/DC变换器的实验研究

6.2.1 三态BOOST型DC/DC变换器的开环特性

6.2.2 实验结果及分析

6.3 本章小结

第七章 全文总结及下一步的研究方向

7.1 本文所作的主要工作

7.2 下一步研究方向

参考文献

致谢

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