DC-DC变换器的鲁棒控制研究

摘要

近年来，随着科学技术的发展以及社会生产力的提高，人们对电源品质的要求也越来越高。开关变换器作为一种电能处理装置，它的重要性无需多言，针对它的研究也是愈加受到学者们的重视。
　　本文研究了开关变换器中的Boost型变换器。Boost型变换器为一种DC-DC（直流-直流）变换器，它的作用是获取一个比电路输入电压幅值高的输出电压。本文首先对DC-DC变换器控制方法的研究现状和今后的发展趋势做了概述。随后，论文对Boost型变换器进行了详细的分析和研究，针对变换器输入电压变化和负载扰动两种情况，分别进行了内模控制算法和滑模控制算法的设计。本文的主要研究内容如下:
　　首先，介绍了Boost型变换器的工作原理。为实现滑模控制器和内模控制器的设计，分别运用状态空间平均法和小信号法对Boost型变换器建立数学模型。
　　其次，基于Boost型变换器的状态空间模型设计了滑模控制算法。该算法旨在降低负载突变，参考电压变化以及输入电压变化对变换器输出电压的影响。同时，还详细分析了在输入电压受扰和输出电压测量误差的情况下，电路的负载、输入电压和参考输出电压，以及滑模控制器唯一需要设计的参数对电路输出电压纹波的影响。最后通过MATLAB仿真验证设计的滑模控制算法。文中采用了两种仿真方法，第一种方法基于电路数学模型，第二种方法基于实际物理电路。
　　再次，基于Boost型变换器的小信号模型设计了内模控制算法。分析了在无外部干扰但是未知精确模型、模型精确已知但存在外部干扰、未知精确模型且存在外部干扰这三种情况下内模控制系统的性能。最后通过MATLAB仿真验证设计的控制算法。在此，采用基于实际物理电路的方法进行了仿真。另外，将设计的连续内模控制器做离散化处理，使得内模控制算法能在硬件实验平台中实现。
　　最后搭建了实验用Boost型变换器硬件平台，通过LabVIEW FPGA模块分别开发了以上两种控制算法的FPGA VI程序，通过实际实验验证了这两种算法满意的控制效果。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景

1．2 DC-DC变换器的研究现状及发展趋势

1．2．1 研究现状

1．2．2 发展趋势

1．3 论文研究内容

1．4 论文结构安排

2 Boost型变换器基本原理及其建模

2．1 Boost型变换器基本原理

2．2 Boost型变换器建模

2．2．1 状态空间平均法建模

2．2．2 小信号建模

2．3 Boost型变换器的仿真方法

2．4 本章小结

3 Boost型变换器的滑模控制

3．1 滑模控制理论

3．1．1 滑模控制理论简介

3．1．2 滑模控制的基本思想

3．1．3 滑模控制系统的设计

3．1．4 等价控制

3．2 滑模控制在Boost型变换器中的应用

3．2．1 Boost型变换器的滑模控制算法设计

3．2．2 系统稳定性分析

3．3 仿真结果与分析

3．3．1 基于数学模型的仿真

3．3．2 基于实际物理电路的仿真

3．3．3 两种仿真方法结果分析

3．3．4 滑模控制算法进一步分析

3．4 本章小结

4 Boost型变换器的内模控制

4．1 内模控制理论

4．1．1 内模控制理论简介

4．1．2 内模控制的主要性质

4．1．3 内模控制的设计思路

4．1．4 内模控制的设计步骤

4．2 内模控制在Boost型变换器中的应用

4．3 内模控制性能分析

4．3．1 考虑无外部干扰但模型精确与否未知

4．3．2 考虑模型精确但存在外部干扰

4．3．3 考虑模型有差的同时存在外部干扰

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

5 Boost型变换器硬件平台搭建与实验

5．1 Boost型变换器硬件电路设计

5．1．1 开关管驱动电路的设计

5．1．2 主电路设计

5．1．3 PCB电路图和实际电路板

5．2 硬件平台搭建

5．3 LabVIEW程序设计

5．3．1 LabVIEW开发环境介绍

5．3．2 LabVIEW上位机程序

5．3．3 LabVIEW下位机程序

5．4 实验结果与分析

5．4．1 滑模控制算法结果与分析

5．4．2 内模控制算法结果与分析

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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