非线性控制策略在DC-DC电力电子变换器中的应用

DC-DC变换器在航空航天、工业以及家用电器等领域的开关电源以及特殊电源中得到广泛应用。迄今为止，对DC-DC变换器的研究多局限于波形分析法。不可否认，波形分析法对于指导DC-DC变换器的工程实际设计与调试起到了举足轻重的作用。但波形分析法难以对影响DC-DC变换器性能的各物理量加以进一步分析。除此之外，为确保DC-DC变换器性能，传统DC-DC变换器多采用在工作点附近的小信号线性模型设计控制器。这种控制器只能确保工作点附近的局部稳定性，对于输出电压(或电流)固定且负载(或输出电源电压)变化范围较小的DC-DC变换器而言基本满足系统的要求。但对于工作点变化范围较大的航空航天等特殊领域，难以实现全局稳定性，因而上述方法难以奏效。 为了解决这些问题，本文针对DC-DC变换器涉及离散与连续变量(即混杂系统)的具体特点，对DC-DC变换器的状态空间平均模型进行了讨论。在此基础上，利用目前控制领域比较流行的非线性控制策略对DC-DC变换器的控制器进行了设计。旨在实现全局稳定性，确保工作点变化范围内系统的稳定性，并提高系统的动、静态性能。本文主要采用了下列两种非线性控制方法：无源性控制和滑模控制。无源性控制的基本思想是配置与系统全局稳定性无关的“无功力”，使系统满足无源性条件。但传统的无源性控制器使系统在参数及扰动变化较大时鲁棒性较差，为提高系统性能，本文引入一种结合积分作用的改进型无源性控制方法。仿真实验表明改进型无源控制方法能够增强系统鲁棒性，并可调高系统的响应速度。 滑模控制方法具有响应快以及对系统参数和外界扰动的强鲁棒性等优点，缺点是在实际滑模控制中存在振颤问题。本文结合无源性控制和滑模控制对DC-DC变换器的控制器进行了设计，仿真结果表明：该方法能够在一定程度上消除滑模振颤，但系统响应时间较单纯滑模控制偏长。 为了验证上述控制器在实际电路中的有效性，本文专门制作了采用非线性控制策略的Boost变换器样机。实验结果表明：改进型无源性控制器可以确保系统较快速达到给定值并平稳运行，且鲁棒性能较PI控制器效果强；滑模控制器可以确保系统在负载及电源电压扰动下有较好的鲁棒性，但电压、电流在稳态时抖动剧烈。