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(jìn)步，對(duì)BOOST型DC/DC變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍以及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求也越來越高。考慮到本身非線性和存在不穩(wěn)定零動(dòng)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(jì)方法，其核心思想是通過微分同胚和狀態(tài)變換，實(shí)現(xiàn)非線性項(xiàng)的精確對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(jì)方面的研究尤其是樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)實(shí)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(gè)不穩(wěn)定的零動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而增加了控制器的設(shè)計(jì)難度。目前針對(duì)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?fù)浣Y(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(dòng)態(tài)。
　　 本文的工作正是針對(duì)上述兩套方案展開的。對(duì)于第一種間接控制方案，研究表明：對(duì)于BOOST型DC/DC變換器，當(dāng)以電容電壓為輸出量時(shí)，零動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定；但以電感電流為輸出量時(shí)，零動(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的控制，因此輸出電壓易受負(fù)載變化和電源電壓波動(dòng)的影響。為此，本文提出了一種采用串級(jí)結(jié)構(gòu)的非線性控制策略新方案。針對(duì)BOOST型DC/DC變換器不穩(wěn)定的內(nèi)動(dòng)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(jì)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(dòng)和負(fù)載變化影響的缺點(diǎn)，又設(shè)計(jì)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(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與單獨(dú)的電流環(huán)間接控制方案相比，該方案使得系統(tǒng)工作點(diǎn)范圍更大、靜差更小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快、抗干擾性更強(qiáng)。
　　 對(duì)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(dòng)態(tài)，Viswanathan K提出了一種新型拓?fù)浣Y(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(gè)附加的電感電流續(xù)流回路來消除不穩(wěn)定的零動(dòng)態(tài)。鑒于其所設(shè)計(jì)的以小信號(hào)模型為基礎(chǔ)