三態(tài)BOOST型DC-DC變換器輸入-輸出反饋線性化控制策略的研究.pdf

1、BOOST型DC/DC變換器廣泛應(yīng)用于汽車、通信、航天航空等領(lǐng)域。隨著這些領(lǐng)域不斷的技術(shù)進步，對BOOST型DC/DC變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍以及動態(tài)性能指標的要求也越來越高?？紤]到本身非線性和存在不穩(wěn)定零動態(tài)等原因，現(xiàn)有的BOOST型DC/DC系統(tǒng)及其控制策略卻難以這些要求。
　　 反饋線性化是基于微分幾何理論發(fā)展起來的非線性控制器設(shè)計方法，其核心思想是通過微分同胚和狀態(tài)變換，實現(xiàn)非線性項的精確對消，把仿射非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為可控

2、的線性系統(tǒng)，再利用線性系統(tǒng)理論進行系統(tǒng)設(shè)計。目前，這種方法在BOOST型DC/DC變換器中的應(yīng)用正在逐漸受到人們的重視。與BUCK型DC/DC變換器相比，有關(guān)反饋線性化理論在BOOST型DC/DC變換器的控制器設(shè)計方面的研究尤其是樣機的實驗實現(xiàn)方面較為少見。其主要原因在于：BOOST型DC/DC變換器內(nèi)部存在一個不穩(wěn)定的零動態(tài)，導(dǎo)致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而增加了控制器的設(shè)計難度。目前針對這一問題主要有兩套解決方案：一是通過選擇新的輸出量間接

3、控制原來的被控制量；二是通過改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，從根本上消除由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的不穩(wěn)定零動態(tài)。
　　 本文的工作正是針對上述兩套方案展開的。對于第一種間接控制方案，研究表明：對于BOOST型DC/DC變換器，當以電容電壓為輸出量時，零動態(tài)不穩(wěn)定；但以電感電流為輸出量時，零動態(tài)卻是穩(wěn)定的。這樣可以利用控制電感電流間接完成對電容電壓的控制。本文采用電感電流為輸出，基于輸入/輸出反饋線性化設(shè)計了非線性控制策略，并且取得了一定程度的穩(wěn)態(tài)和

4、動態(tài)性能。
　　 但是由于上述方案是通過控制電感電流來間接的實現(xiàn)對電容電壓的控制，因此輸出電壓易受負載變化和電源電壓波動的影響。為此，本文提出了一種采用串級結(jié)構(gòu)的非線性控制策略新方案。針對BOOST型DC/DC變換器不穩(wěn)定的內(nèi)動態(tài)，本方案以電感電流作為輸出量并基于輸入/輸出反饋線性化來設(shè)計其內(nèi)環(huán)控制器。在此基礎(chǔ)上為了克服間接控制方案帶來的輸出電壓易受電源電壓波動和負載變化影響的缺點，又設(shè)計了以電容電壓為輸出的外環(huán)控制器，而外環(huán)控

5、制器則采用了具有一定魯棒性的PI控制器。樣機的實驗結(jié)果表明：與單獨的電流環(huán)間接控制方案相比，該方案使得系統(tǒng)工作點范圍更大、靜差更小、動態(tài)響應(yīng)更快、抗干擾性更強。
　　 對于第二種方案，為了從根本上解決BOOST型DC/DC變換器存在的不穩(wěn)定的零動態(tài)，Viswanathan K提出了一種新型拓撲結(jié)構(gòu)的三態(tài)BOOST型DC/DC變換器，這種變換器通過引入一個附加的電感電流續(xù)流回路來消除不穩(wěn)定的零動態(tài)。鑒于其所設(shè)計的以小信號模型為基礎(chǔ)