Buck型DC-DC变换器的滑模控制研究

摘要

DC-DC开关变换器是一种时变非线性开关电路，其建模、控制器设计和性能分析一直是功率电子学领域的热点问题。在众多非线性控制策略中，滑模控制的DC-DC开关变换器具有快速的瞬态特性和良好的鲁棒性，其控制器算法的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以DC-DC开关变换器中Buck电路为研究对象，设计有效的滑模控制策略。
　　本文的主要研究工作包括:首先，根据Buck电路建立其数学模型;其次，研究Buck开关变换器采用传统滑模方法的控制器设计和参数选择，并分析其控制作用下的系统性能;再次，针对传统滑模控制存在的问题，研究面向性能的改进型滑模控制算法，主要包括终端滑模控制算法和自适应滑模控制算法;最后基于构建的FPGA实验平台对Buck开关变换器的传统滑模控制算法进行验证。本文的主要内容如下:
　　(1)介绍DC-DC变换器中Buck电路的工作原理，对Buck电路在开关导通和断开两种不同状态进行分析，利用基尔霍夫电压、电流定律对系统的状态进行数学描述。采用多种方式对Buck电路进行数学建模。
　　(2)在介绍滑模控制算法的基础上，将滑模变结构控制引入到DC-DC开关变换器控制器设计中。针对Buck电路数学模型，利用变结构控制理论，设计合理的滑模面以及滑模控制器参数，并分析滑模面的收敛性。
　　(3)针对传统滑模控制收敛时间长，负载电阻与标称值存在偏差的问题，设计了终端滑模控制和自适应滑模控制。传统滑模控制可以通过选取合适的参数值使其动态响应加快，但无论如何选取，其状态跟踪误差都将无限时间收敛。终端滑模控制通过改进滑模面的设计形式，使得状态跟踪误差收敛时间有限;此外由于Buck开关变换器的负载电阻实际值与标称值存在偏差，造成实际滑模而的选取并非最优，自适应滑模控制通过计算电阻电流和输出电压，实时地获取最优滑模面。
　　(4)搭建实验平台，验证了所提滑模控制算法的优越性。采用NI9683板卡、NI sbRIO-9606板卡和Buck电路评估板搭建实验平台，通过LabView语言实现控制算法，以验证滑模控制算法的有效性。同时编写PID控制算法作为比较，验证滑模变结构控制的优越性。
　　通过仿真和实验平台的结果进一步证实了本文研究的滑模变结构控制在控制Buck开关变换器所表现出来的优势。两种面向性能的滑模算法也都具有较好的控制效果，有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景及意义

1．2 DC-DC变换器研究现状

1．2．1 拓扑结构

1．2．2 建模方法

1．2．3 控制方法

1．3 论文主要研究内容

1．3．1 论文的主要工作

1．3．2 论文的结构安排

2 Buck电路基本原理及其建模

2．1 Buck电路工作原理介绍

2．1．1 Buck电路的基本工作原理

2．1．2 Buck开关变换器的两种工作模式

2．2 Buck开关变换器的建模方法

2．2．1 状态空间建模法

2．2．2 小信号建模法

2．2．3 其他建模方法

2．3 小结

3 传统滑模控制方法研究

3．1 滑模变结构控制的基本原理

3．1．1 滑模面的定义

3．1．2 滑模变结构控制的定义

3．1．3 滑模变结构控制在DC-DC变换器中的应用

3．2 Buck开关变换器传统滑模控制分析

3．2．1 Buck开关变换器传统滑模控制设计

3．2．2 滑模面稳定性分析

3．2．3 滑模面系数的选择

3．3 Buck开关变换器传统滑模控制仿真

3．4 小结

4 面向性能的改进型的滑模控制算法

4．1 终端滑模算法

4．1．1 终端滑模控制

4．1．2 终端滑模控制稳定性分析

4．1．3 终端滑模控制器参数选取

4．2 自适应滑模控制算法

4．2．1 Buck开关变换器的白适应滑模控制

4．2．2 自适应滑模控制的仿真

4．3 小结

5 基于FPGA平台实现传统滑模控制算法

5．1 实验平台的搭建

5．1．1 Buck电路评估板

5．1．2 FPGA控制平台

5．2 滑模变结构控制与PID控制的比较研究

5．2．1 PID控制原理简介

5．2．2 控制算法编程

5．2．3 控制结果比较

5．3 小结

6 结论

参考文献

作者简历

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