（检测技术与自动化装置专业论文）开关变换器中滑模控制技术研究.pdf

摘要 论文题目：开关变换器中滑模控制技术研究 学科专业：检测技术- q 自动化装置 研究生：张随保 签名：毯随攮 指导教师：张维娜( 副教授) 签名：j 趁均峰 摘要 开关变换器大都采用线性化的控制技术，常用的p i 控制对系统参数变化比较敏感， 特别是开关变换器带非线性负载时有响应速度慢、波形有畸变的缺点。近年来，随着对开 关变换器性能要求的逐渐提高，现代控制理论得到广泛研究。滑模变结构控制是一种非线 性控制理论，对开关变换器非线性特性具有天然的适用性，且采用滑模变结构控制时系统 稳定范围宽、动态响应快、鲁棒性强、控制实现简单，具有研究的现实意义。 本文对滑模控制在d c a c 变换器、d c d c 变换器中进行了研究，主要工作如下： 1 对于d c a c 变换器，本文将滑模控制应用在单相逆变器中，分析了滑模控制的基本原 理，在此基础上进行了滑模电流控制的仿真分析，仿真结果说明滑模电流控制算法提高了 系统的动态性能和稳态性能；为了进一步提高滑模控制稳态性能，本文引入p i 滞环控制， 利用两种控制方式的优势互补不但可以取得很好的动态效果，还可以提高系统的稳态精 度；最后设计了系统的主电路、驱动电路、调理电路、缓冲电路、保护电路，并进行了基 于t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的单相逆变器的实验研究。 2 对于d c d c 变换器，本文对滑模控制b u c k 变换器进行研究，分析了参数选择依据和系 统性能优化等问题，并考虑了e s r 对系统的影响；在此基础上研究了b u c k 三电平变换器， 分析了其拓扑结构，在脉冲波形法建模的基础上将滑模控制应用在此变换器中，并进行了 滑模控制器的设计，仿真结果表明了该控制方案的正确性及可行性。 关键字：滑模变结构控制；逆变器；复合控制 t i l e ：t h es l i d i n gm o d e c o n t r o lt e c h n i q u e f o rc o n v e r t e r s m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g y a n da u t o m a t i o nd e v i c e n a m e ：s u i b a oz h a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w e i n a z h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：墅i 垃2 圣坠堂 s i g n a t u r e ： t h el i n e a rc o n t r o la p p r o a c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nc o n v e r t e r s ；b u tp i c o n t r o l l e rc a n n o t e n s u r es t a b i l i t yu n d e rl a r g ev a r i a t i o n so fs y s t e mc o n d i t i o nc h a n g e s t h es y s t e m i su n a b l et o p r o d u c eb e t t e rp e 渤m a n c e s f o rw i d e - r a n g el o a dc h a n g e sa n di n p u tv o l t a g ev a r i a t i o n r e c e n t l y ， w i t ht h ep e r f o 衄a n c eo ft h ec o n v e r t e r s ，m o d e mc o n t r o lt h e o r yh a sb e e n r e s e a r c h e dw i d e l y t h e s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) h a sw i d ea p p l i c a t i o nr a n g e i nt h er e s e a r c ho fc o n v e r t e r s , c o m p l y i n gw i t ht h e n o n 1 i n e a rn a t u r eo fs w i t c h - m o d ep o w e rs u p p l i e s c o m p a r e dw i t h t h e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e s ，t h ea d v a n t a g e si tb r i n g sa r e i t sh i g hr o b u s t n e s s ，g o o dd y n a 删c r e s p o n s e ，s i m p l ec o n t r o li m p l e m e n t a t i o na n d w i d e - r a n g es i g n a ls t a b i l i t y i nt h i sp a p e r , s l i d i n gm o d ec o n t r o ls c h e m eo f d c a cc o n v e r t e r s 、d c d cc o n v e n e r s 1 s p r e s e n t e d 1 f o rd c a cc o n v e r t e r ，s l i d i n g m o d ec o n t r o la r ea p p l i e d i nt h es i n g l e 。p h a s e i n v e r t e r a n a l y z i n gt h es l i d i n gm o d ec o n t r o lp r i n c i p l e o nt h eb a s i s o ft h er e s e a r c h ，c u r r e n t s l i d i n gm o d ec o n t r o li sp r e s e n t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t c u r r e n ts l i d i n gm o d e c o n t r o li m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fd y n a m i c a n ds t e a d y i no r d e rt oi m p r o v et h es t e a d y p e 渤珊a n c eo fs l i d i n gm o d ec o n t r o l ，ah y b r i dc o n t r o ls t r u c t u r ew h i c hi m p r o v e st h ed y n a 删c a n ds t e a d yp e 渤蛐a n c ei n c o r p o r a t i n gs l i d i n gm o d e c o n t r o la n dp ih y s t e r e s i s c o n t r o 上i s p r o p o s e d ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e dt h es t r a t e g yi se f f e t e l yw o r k e d f i n a l l y , m a i n c l r c u l t 、 d r i v i n gc i r c u i t 、c o n d i t i o n i n g c i r c u i t 、s n u b b e rc i r c u i t 、p r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e d ，a n d e x p e r i m e n to fd c a cc o n v e r t e r si sr e a l i z e db a s e d o nt h et m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 2 f o r d c d cc o n v e r t e r s ，s l i d i n gm o d ec o n t r o lb u c kc o n v e r t e r si sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gh o w t o c h o i c et h ep a r 锄e t e r s 、p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n a n dc o n s i d e r i n gt h ei m p a c t o fe s r t h e n b u c kt h r e el e v e lc o n v e r t e ri ss t u d i e d ，f i r s t l y , t o p o l o g yi sa n a l y z e d ；s e c o n d l y , o n t h eb a s i s o ft h em o d e lu s i n gp u l s ef u n c t i o n ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l i su s e di nt h eb u c kt h r e el e v e l c o n v e r t e r s ；f i n a l l y ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d k e yw o r d s ：s l i d i n gm o d ec o n t r o l ；i n v e r t e r ；h y b r i d c o n t r o l l l 独创性i ，声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：j 本人所呈交的学位论文是我 ， r 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 。 一 的地方外；论文中不包含其他人的研究成果二i 与我一同工作的同志对本文所研究的王 一 ；。 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 一 7 。| ” 本论文及其相关资料若有不实之处，一由本人承担_ 切相关责任 论文作者签名：猛慈。筮易6 善年年月。 自 学位论文使用授权声明 本人幽基枉导师的指导下创作完成毕业论支i 本人已通过论文的答辩一 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，4 同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：，1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，r 学校可以采用影印、t 缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 。 论文作者签名：氆u 酥，导师签名：鞫粹 ，加。碧年，月f 目 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景n 5 1 6 1 随着半导体技术的迅速发展，集成电路的广泛使用，使得电子设备的固态化，小型化 成为可能。开关变换器的功率管工作在高频开关状态，因此效率大大提高，同时也可以抛 弃笨重的工频变压器，使得电源的体积和重量大大减少。 但是，开关变换器还存在动态响应特性差和纹波大的问题阳1 汹1 ，同时开关变换器本 身具有非线性的特性和参数不确定性。对于开关变换器，一般的控制方法必须具有对开关 变换器良好的了解以及对系统进行精确调整，才能获得良好的性能。这些控制器都比较简 单，易于设计和应用，但它们的性能主要依靠系统的工作点，因此在产生寄生元件、负载 和输入电压的变化时，必须选择不同的控制参数以保证系统工作在正常的工作点上。 而 要获得大信号范围的稳定通常要牺牲系统的带宽，从而影响了开关变换器的系统性能。在 常规控制方法无法获得理想的控制效果时，有必要采用新的控制方法，以实现对系统的良 好控制。 滑模控制对于非线性系统具有良好的控制特性钉1 盯，滑模变结构控制是通过对状态 的实时检测，判断系统所处的不同结构，进而控制开关的切换以达到既定的控制，无需近 似线性化处理，适应了系统的非线性特性，能够取得更好的动态性能。 滑模面的选取与系统参数无关，系统的运动状态只取决于切换函数的参数和控制律， 与系统本身的参数摄动和外界扰动无关，所以滑模控制系统又具有较强的鲁棒性。在开关 变换器中采用滑模变结构控制，能够得到很好的控制效果，系统具有快速良好的瞬态响应， 对参数摄动及外界干扰具有较强的鲁棒性，具有良好的开发和应用前景，具有现实的研究 价值。 1 2 滑模控制在开关变换器中的研究现状“5 1 “7 儿8 1 变结构控制( v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) 本质上是一类特殊的非线性控制， 其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的结构 并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态( 如偏差及其各阶导数等) 有目 的地不断变化，迫使系统按照预定滑动模态的状态轨迹运动。 开关变换器本质上为非线性系统，滑模变结构控制理论为非线性控制理论，有其天然 的适用性，滑模控制逆变器得到广泛的研究。它可以实现以下优点：滑动模态中的自适应 性、快速的动态响应、低的谐波含量，宽的稳定范围等u 。1 副。 文献 4 5 3 初步介绍了滑模控制在d c d c 变换器中的应用问题，主要的拓扑为b u c k b o o s t 和b u c k - b o o s t 电路，滑模面的选取，滑模面的到达条件，开关频率的估算等问题 得到初步研究。基于d c - d c 变换器的组合式逆变器成功的应用了滑模变结构控制理论，文 献 5 分析三种( b u c k ，b o o s t ，b u c k b o o s t ) 组合式逆变器的基本工作原理：分别对组合式 西安理工大学硕士学位论文 逆变器两种工作模式进行大小信号建模分析，并给出了波特图，对比了三种组合式逆变器 的优缺点。文献 6 ，7 介绍了采用滑模控制的b u c k 型组合式逆变器的设计方法和实验效 果，等效控制理论和反函数方法被用来分析时变滑模面的滑模变结构控制系统。文献 8 介绍了滑模控制在全桥逆变器中的应用，介绍了滑模面函数的选取和开关频率估算等问 题，并且利用注入脉冲法固定开关频率，增加积分量来消除稳态误差，但注入脉冲法增加 了系统的复杂度，并且加入脉冲的宽度和幅值也会影响逆变器的稳态输出特性，在滑模面 函数中加入误差积分量可以消除稳态误差，但削弱了系统的动态响应速度，而且滑模面函 数中的参数选择也是必须深入研究的内容。数字化控制是逆变器发展的趋势，文献【9 】介 绍了离散滑模控制的算法和实验调试。 近年来，定频滑模变结构控制成为研究的热点，很多学者做了大量的研究，提出了固 定开通时刻控制、固定脉冲控制、最大开关频率控制等方法。滑模控制结合p w m 的控制 也被提出，有些学者将系统运动分为几个过程，采用一定的切换机制，当系统扰动较大时 采用滑模控制，当系统较稳定时采用p w m 控制：有些学者利用等效控制理论，利用p w m 控 制构建滑模控制中的等效控制量u e q ，实现定频控制。对于b u c k 三电平变换器，已有文 献e 2 3 2 4 2 5 介绍，并且利用脉冲波形积分法对b u c k 三电平变换器进行建模。 随着各行各业对电气设备控制性能要求的提高，电力电子变换技术在各种领域的应用 越来越广泛，对应用在不同领域的稳态和动态性能的要求也在不断提高。本文研究滑模变 结构控制在开关变换器中的应用，选择合适的滑模面函数，系统状态变量运行在滑模面上 后，达到平衡点，得到期望的输出，此时，输出变量由滑模面函数决定，具有自适应性， 对负载变化等系统干扰具有完全鲁棒性。由于滑模变结构控制固有的特性，当系统状念变 量突变离开滑模面后，能快速的再次达到滑模面并运行到平衡点，体现了滑模控制快速的 动态响应。采用滑模控制可以进一步提高开关变换器系统的抗输入扰动能力，满足不同负 载条件下的输出电压的稳态精度，提高输出电压的瞬态特性，降低带非线性负载时的输出 电压的谐波失真度。 1 3 本文的主要研究内容 本文对开关变换器中滑模控制技术进行了研究，并进行了硬件电路的设计和部分软件 的设计，主要内容如下： ( 1 ) 利用滑模控制技术对b u c k 变换器、b u c k 三电平变换器进行了仿真研究。 ( 2 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 中进行了滑模控制单相逆变器的仿真分析。 ( 3 ) 对滑模电流控制方案进行了研究，将其应用在单相逆变器中进行了仿真分析并与p i 控制相比较。 ( 4 ) 为了进一步提高滑模控制的稳态精度，提出了滑模控制与p i 滞环控制相结合的复合 2 绪论 控制方案，根据不同的误差带进行控制方式的切换，这种复合控制方案不但可以取 得较好的动态效果，还可以得到很高的稳态精度。 ( 5 ) 设计了单相逆变器的硬件电路( 主电路、驱动电路、调理电路、缓冲电路、保护电 路) ，并在基于t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的控制器下进行了单相逆变器的实验研究。 3 西安j e t - 大学硕士学位论文 2 滑模控制b u c k 变换器研究 2 。1 滑模控制基本原理n 2 1 滑模变结构控制中的滑动模态是指系统运动在某一子流上，迫使系统的状态轨迹沿着 设计好的滑模面运动到平衡点( 期望点) ，系统一旦进入滑动模态，在一定条件下就对外界 干扰及参数扰动具有不变性，从而具有比鲁棒性更加优越的完全自适应性。系统的初始状 态未必在滑模面上，滑模变结构控制器的作用就是使状态变量运行到滑模面，并沿滑模面 滑动，直到平衡点。系统状态轨迹从启动到运行到滑模面上过程称为到达过程，状态轨迹 运行到滑模面上后，滑动到平衡点的过程称为滑动过程。到达过程和滑动过程的特性决定 滑模变结构控制系统的动态响应速度。 设有一非线性系统x = 厂0 ，u ，f ) ( 2 1 ) 式中，x 尺”，ue r ”，te r 设计滑模变结构控制器，首先要确定滑模面函数s ( x ) ，s r ”，并制定合适的控制规则， 使状态轨迹运行在滑模面s ( x ) = o 上，可以选择控制量变化规律 “ ，f ，= ：凄；：三苌；三吕 c 2 2 ) 控制量按一定的逻辑进行切换，即系统的结构按一定的规律变化。通过系统结构的变化， 可以满足以下设计目标： a 滑动模态的存在性，状态轨迹能够运行在滑模面并至平衡点。 b 滑动模态的可达性，即在切换面s ( x ) = 0 以外的运动点都将于有限时间内到达切换面。 c 保证滑模运动的稳定性。 d 达到控制系统的动态品质要求。 上面的前三点是滑模变结构控制的三个基本问题。满足该三个条件的控制称为滑模变 结构控制。此外在设计滑模变结构控制器时，还应考虑系统的动态品质，包括正常运动段 的动态品质和滑模运动段的动态品质。其典型的二阶系统滑模运动相轨迹如图2 1 所示： 4 s o o j s 0 和s 0 分别向s = 0 趋近，从而使系统趋 于稳态。 图2 - 2 菲力普夫理论的几伺解释 ： f i g 2 2g e o m e t r ye x p l a i no ff i l l i p o v 厶o ) 为f ( x ) 在s ( x ) = 0 上的值，且与s o ) 一0 相切，于是， 程可以定义为： 鲁= i z f o ( 小( 1 - u ) f o ( z ) 此时s ) = 0 ，所以可以计算得： 尘f 、一 要斋 在终止点区系统的运动方 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 可得滑模面的微分方程为： fo s ，一o s ，+ 戈2 秀丽o x 1 0 兀+ 。_ 秀阿a x j o 兀一 c 2 7 ， 【 s ) = o b 等效控制及滑模运动 按照菲力普夫理论，描述系统在滑动模态上运动的微分方程式实质上是对滑模运动的 种极限情况下的定义。在这个意义下，系统处于滑模运动时，有s 0 ) = 0 ，d s ( x ) d t = o 。 在实际系统中，这种情况无法用连续控制来实现的，当采用滑模变结构的非连续控制时， 5 西安理工大学硕士学位论文 也只有在理想开关的作用下才能实现，然而，对于现实的非理想开关，可以设想一种等效 的平均控制。例如对于线性系统： d x ：a x + b “z e r 一“e r ( 2 8 ) d f 取切换函数： 咒 s ( x ) = c x c n x 。+ c 。_ 1 - 1 + + c 1 而一c f ( 2 9 ) 控制策略选为： ， “c x ，f ，2 仁：至三苌；三吕 使式( 2 3 ) 成立。设系统进入滑动模态后的等效控制为u 书，则 皇兰；h + 6 “水 所以有： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) u = 0 5 ( 1 + s e n ( s ) ) ( 2 1 2 ) 若矩阵【c b 】满秩，解出其等效控制为： 比水z 一【c 6 】一1 c a x ( 2 1 3 ) 一般情况下可以通过菲利普夫理论或等效控制理论路求解其微分方程来分析系统的 动态响应和稳态性能，或者两种方法的结合来分析系统的性能。 2 2b u c k 变换器滑模控制 2 2 1 滑模控制b u c k 变换器 b u c k 变换器的基本拓扑如图2 - 3 所示： v d 图2 - 3b u c k 变换器 f i g 2 - 3b u c kc i r c u i t 考虑系统工作在连续模式下，器件为理想器件，取x 。= t ，x ：= v 。为状态变量，则b u c k 变换器的状态空间方程为： 6 滑模控制b u c k 变换器研究 出l 出 出2 d t 肌；器凳羹簇 。 一三 上 1 1 cr c卧斛 ，u = l 或u - o 时电路的拓扑如图2 4 所示： ( a ) u = l ( b ) u = o 图2 _ 4b u c k 变换器电路的不同模态 f i g 2 - 4d i f f e r e n c e sm o d eo fb u c kc i r c u i t 则由x = 厂 ) + g ou 知： f = 1 一z x ： 11 石石t 一面石z ( 2 1 4 ) ，g - 割 由状态方程知该系统是线性的，系统的唯一的非线性项出现在控制器上，它是最简单 的非线性系统，在b u c k 变换器中，控制量只能取0 或l ，在变结构控制中属于控制受限 的情况。 滑模变结构系统的动态响应分为两个阶段，( 1 ) 趋近运动阶段：从初始状态于有限时 间内到达切换面的运动，即系统向着s ) = 0 运动；( 2 ) 滑动模态阶段：系统轨迹沿着 s ( x ) = 0 滑动。只有在滑动模态阶段系统才具有较强的鲁棒性，因此在设计控制器时希望 趋近运动阶段尽可能短。 滑模变结构控制器的设计包括两个部分：( 1 ) 寻求切换函数j 伍) ，使它所确定的滑动 模态渐进稳定且具有良好的品质；( 2 ) 寻求控制函数比， ) ，“f o ) ，使切换面上布满止点， 形成滑动模态区；滑模控制策略可以按以下几个步骤分析： a 选择以状态变量偏差的线性组合来表示的空间滑动平面方程：s “) ；0 。 b 选择合适的开关切换法则，即控制率，保证滑动模态的存在性，使系统状态变量运行 轨迹都指向滑模面，通过李亚普诺夫等条件，可得滑模控制规则及滑模控制稳定条件。 c 根据滑模运动区域和动态响应的关系以及系统性能的优化，选择滑模面系数，估算出 开关频率，选择滤波器参数。 以状态偏差的线性组合建立滑模面函数：s o ，f ) = k i e + k ，e ( 2 1 6 ) 7 西安理工大学硕士学位论文 其控制框图如图2 5 所示； 图2 - 5滑模控制b u c k 变换器控制框图 f 远2 - 5s l i d i n gm o d ec o n t r o ld i a g r a mo fb u c kc i r c u i t 其中e = v r x ，则： s = 缸 ，一x 2 ) + k 2 ( 一乏) = 颤哆一鲁鼍+ 彘一乜k ( 2 耶) 滑动模态存在的条件是要求在滑模面附近的状态轨迹都指向滑模面，即状态轨迹能运 行在滑模面上，通过滑模控制器产生的滑模控制信号s ( x ) 控制开关管的开通与关断来保证 系统的状态变量运行在滑模面上，为此选择开关函数为： ；1 1 s 川( 2 1 8 u)o ) 【o s o ，若s o ) 去即可。2 但是前面的分析中假设情况都是理想情况下的，然而在实际的开关变换器中，存在着 各种寄生参数，为了建立更加准确的模型，可以更好的分析系统的稳态和动态性能，本节 考虑其电感寄生电阻和电容寄生电阻来分析，对实际参数设计有一定的指导意义。考虑寄 生电阻后的拓扑结构如图2 8 所示： 图2 - 8 考虑e s r 时的b u c k 变换器 f i g 2 - 8b u c kc i r c u i tc o n s i d e r i n go fe s r 当b u c k 变换器工作在连续模式下时，b u c k 变换器的空间状态方程为： 卧 1r r 工+ r 工r c + r r c1r l r + r c 1尺 cr + lr + 尺c 11 c r + r c刚钟 汜2 3 ， 其帆吐“；骺蓑簇，考虑了瞰矾跗砚删滑模 面函数为： s ( x ) = k l e + k 2e ；k l 何一y 。) 一y c ( 七1 积。+ 七2 ) 此时滑模面系数为k ，、k l c r c + k ：，其中第二个系数与原来的相比增加了k l c r c ， 滑动过程决定于滑模面系数，状态变量运动在滑模面上时，由式子( 2 2 4 ) 知： 一 生2 f y 何一vc = ( v 何一vc ) 七t 积c + 七2 所以，系统状态变量进入滑模面以后，开始沿着滑模面进入滑动状态， 衰减的速度达到平衡点，且 墨! 的大小影响着系统到达平衡点的速度。 k l c rc + k2 ( 2 2 4 ) 系统的 ( 2 2 5 ) 并以指数的 引入e s r 后随着尺c 的增加，系统达到平衡点的速度在减小，滑动时间变长，系统的动态特性受参 数k 。、k 2 、r c 的影响。 2 2 3 开关频率估计“ 为了估计其开关频率，系统状态空间方程转化为如下形式： 1 0 t _ 滑模控制b u c k 变换器研究 咖。 出 du 。 出 = _ 一0 1 l c 一雌 + 羔l c 卜 l 尺cl 【j ii 令五= 一屹，x 2 = x l = y ，矽一v c = 一 ，c 可得到： i ： = 一兰熹 羔】+ 一兰 “+ i v 三r o 石 s ( x ，f ) = 尼1 2 14 - k 2 x 2 - 4 - 仃一一了乔_ 一一一一一_ r s 一、s 一s o 0 7 z 二_ _ z 一、 ， 、 s 5 0 00 0 2o 0 40 0 6 t s 图2 1 2 滑模控制给定电压突变时输出波形 f i g 2 1 2w a v e f o r mo fs t e pc h a n g ei nt h ev r e f o fs l i d i n g m o d ec o n t r o l 1 2 1 8 ；g 等乏 o 左 2 ，_ 、 i r ；：一 艺 n ， 口 耍 芍 图2 1 1p l 控制输出电压、电流波形 f i g 2 - 1 1v o l t a g e c u r r e n tw a v eo fp ic o n t r o l 2 5 2 0 1 5 口 口 口 石1 0 0 t s 图2 1 3p i 控制给定电压突变时输出波形 f i g 2 - 1 3w a v e f o r mo fs t e pc h a n g ei nt h ev r e f o fp ic o n t r o l i 7 一厂弋j 二一，； -_-_-一一 f st ，s 图2 1 4 负载突变时滑模控制输出电压波形图2 1 5 负载突变时p i 控制输出电压波形 f i g 2 - 1 4w a v e f o r m o fs t e pc h a n g ei nt h el o a d f i g 2 1 5w a v e f o r mo fs t e pc h a n g ei nt h el o a d o fs l i d i n g m o d ec o n t r o lo fp ic o n t r o l 从上图仿真结果如图2 - 1 0 、2 - 1 l 比较可以看出滑模控制与p i 单环控制相比，系统没 有超调，且快速性比较好；当系统给定电压变化时如图2 1 2 、图2 1 3 ，采用滑模控制时 输出电压在2 m s 内达到稳态，而p i 控制时系统有超调且有振荡，即滑模控制具有快速的 1 2 塞芒巴jol皿础o， 芒磐，3罗)d婶p趸， 滑模控制b u c k 变换器研究 动态响应；当负载突变时，如图2 1 4 、图2 1 5 ，采用滑模控制时输出电压波动比p i 控制 小，即其鲁棒性较强。 给定电压突变、负载突变时，其相轨迹如图2 1 6 ，图2 一1 7 所示： 1 5 1 0 之 o 5 0 f ，、kl 1 j av a 图2 1 6 给定电压突变时滑模控制相轨迹图2 1 7 滑模控制负载突变时相轨迹 f i g 2 1 6s l i d i n g - m o d ec o n t r o lt r a c k so fs t e p f i g 2 1 7s l i d i n g - m o d ec o n t r o lt r a c k so fs t e p c h a n g ei nt h ev r e fc h a n g ei nt h el o a d 从图2 - 1 6 可以看出，当给定电压突变时，相轨迹在瞬间发生变化，输出电压从1 0 v 的相轨迹快速地转到2 0 v 的相轨迹，并很快达到给定的稳态。当负载突变时，相轨迹如图 2 - 1 7 所示，此时，电流从1 a 的相轨迹突变到2 a 的相轨迹，并很快达到稳态。 t ，s x1 0 3 图2 1 8 滑模系数不同时输出电压波形 f i g 2 1 8o u t p u tv o l t a g ew a v eo fd i f f e r e n c e s l i d i n gc o e f f i c i e n t 图2 1 9 滑模系数不同时( i 。v ) 相轨迹 f i g 2 1 9 ( i v ) t r a c k so fd i f f e r e n c es l i d i n gc o e f f i c i e n t 滑模系数不同时，即当k l = 2 0 0 0 ，k 2 = 0 5 、1 2 、2 5 ，输出电压波形如图2 - 1 8 ，当 k 2 ：0 5 ，k l k 2 比较大时，系统的快速性比较好，但是，此时系统超调比较大；当 k 2 = 2 5 ，k l k 2 比较小时，系统没有超调，但是其快速性比较差；当k 2 = 1 2 时，系统没有 超调，其快速性也比较好；从图2 1 9 也可以看出，k 2 = 1 2 时系统很快进入滑模面，k 2 = 0 5 时，系统开始没有进入滑模面，运动一段时间后才进入滑模面，即此时系统的超调比较大。 1 3 西安理工大学硕士学位论文 。1 9 5 扫- 、 盘1 9 1 8 5 1 8 e s r = o r ： f 一，3e 鼍r o - 0 1 。“_ - - ，。、_ r - ，l ) | 呵o 一。一o - j 卜 b s i r - 一o ：一n o o 1 i9 堪 i - o j ， 2 t 8 4、 6 ； 8 图2 2 0e s r 不同时输出电压波形 f i g 2 - 2 0o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mo fd i f f e r e n c ee s r 图2 2 0 所示为考虑e s r 时的波形，e s r = o 时超调比较大，e s r = o 2 8 时，系统没有超 调，与本文中的式( 2 2 5 ) 的分析相吻合，因此，考虑e s r 后系统的参数需要做出调整， 以便使系统的性能更好。 本章对滑模控制b u c k 变换器进行了详细的分析，通过选取合适的滑模面及滑模系数 对b u c k 变换器进行控制，通过与p i 单环控制相比较，滑模控制b u c k 变换器具有较高的 稳态精度、快速的动态响应、较强的鲁棒性、电路实现简单的优点，同时本文对开关频率 进行了估算，便于滤波器的设计。 1 4 b u c k 三电平变换器中滑椟控制研究 3 b u c k 三电平变换器中滑模控制研究 近年来电力电子技术发展中提出的三电平变换器，其开关管的电压应力为输入直流电 压的一半，非常适合于高输入电压、中大功率的应用场合。部分三电平变换器在降低开关 电压应力的同时，还大大减少了输出滤波器的体积，因此提高了变换器的动态特性。正是 由于三电平变换器的诸多优点隅1 ，它才成为电力电子技术中的一个热点，引起了广泛关 注。随着对功率变换器的动态特性和稳定性要求的日益提高，在优化拓扑结构的同时，人 们尝试将现代控制技术引入功率变换器的控制系统设计之中。滑模控制对改善系统的鲁棒 性和动态品质等方面具有突出作用，在电力电子技术中得到一定应用。本文在文献 1 8 2 4 】 的基础上将滑模控制引入三电平变换器同时进行了仿真分析。 一般来说，滑模控制适用于两个模态之间切换的系统。由于三电平变换器中的开关管 数目多，工作模态复杂的特点，因此不能直接将滑模控制应用于三电平变换器。考察三电 平变换器的工作过程，由于受开关量的控制，系统的结构在多个子拓扑间不断变化，具有 变结构的特点，因此，利用滑模控制这一具有鲁棒性强，动态品质好等优点的现代控制理 论对三电平变换器进行系统分析和设计是一种新的探索。 3 1b u c k 三电平变换器拓扑结构 三电平变换器的核心是用两只开关管串联代替一只开关管以降低开关管电压应力，并 引入一只箝位二极管和箝位电压源( 它被均分为两个相等的电压源) 确保两只开关管电压 应力均衡。 文献 2 6 提出了一族三电平变换器拓扑，包括b u c k 三电平变换器、b o o s t 三电平变 换器、b u c k b o o s t 三电平变换器、c u k 三电平变换器、s e p i c 三电平变换器、z e t a 三电平 变换器等六种非隔离的三电平变换器以及f o r w a r d 三电平变换器、f u l l b r i d g e 三电平变 换器等隔离型三电平变换器。本文限于时间只做了b u c k 三电平的研究，其拓扑结构如下： li 矿 c 。，i + zs v o “= f 。 r 主 0 5 3 1 2 占空比小于0 5 时的工作过程分析 此时变换器工作过程见参考文献【2 3 】，四个工作模态如图3 - 4 所示： v i n 2 1 6 ( a ) 0