（控制理论与控制工程专业论文）并联boost变换器建模与控制.pdf

摘要 摘要 作为歼关r 【i 源研究的基础，d c d c 开关变换器的建模与控制对开关电源的分析和 设计具有重要意义。随着分析j 式i l 王源和低电压大电流电源的广泛应用，并联厅关电源越 来7 l 选受到人们的重视。本文针划了铷关b o o s t 变换器，深入l i j f = 究了其建模与控制l u j 题，有 助于开灭电源的性能优化和设计效率的提高，主要二i 二作如下： 本文针对并联b o o s t 变换器，采用状态空问建模法和t - s 模糊建模方法，在电感 乜 流连续和i 乜l 感r 【l 流断续两种工作模式下，分别建立并i 陕理想和并联非理想b o o s t 变换器 的：队态空| u j 模型和t - s 模糊模型。 在并联b o o s t 变换器的控制器设计方面，本文首先用传统的p l 控制算法，并利j - f j 临 界灵敏度方法进 r 了参数整定，进行仿真研究。基于建立的并联非理想b o o s t 变换器t - s 模糊模型，在i 乜- 感电流连续和电感电流断续两种模式下分别设计相应的模糊控制器。仿 真结果表i 妇，t - s 模糊控制较p i 控制相比，控制性能更好。 多j 外，在对并联b o o s t 变换器研究的撼础上，提出了b o o s t 变换器组式交错并联技 术，详细介绍了其原理及工作过程，以双并i 陕眄组交错b o o s t 变换器为例，给出交错驱 动信号产生方法和均流方案的设计过程。本系统采川权值白调整平均电流控制策略进行 均流挖制，有效解决了传统平均1 ：! i 流均流法在模块故障的情况下不z r 】匕| l z , i - - 确均流的问题。 仿真结果表u 月，并联变换器各个模块输出电流均等，在予模块故障的情况f ，其余各模 块丌i 确均分负载i u 流，两组变换器交错运行，有效降低了输出r b 流纹波i i i f i i 值，提高了输 出i ! i 流纹波频率。 最后，旌于d s p a c e 硬件实验平台，设计了并联b o o s t 变换器p l 控制系统和t - s 模 糊于- i ：i f 0 系统实验方案。试验结果表叫t - s 模糊控制系统的有效性和先进性。 关键词：并联，b o o s t 变换器，均流，1 1 - s 模糊，组式交错并联，d s p a c e 。 a b s ( r a c l a b s t l a c t a st h eb a s i so l s w i t c h i n gp o w e r s u p p l yr e s e a r c h ，d c d cc o n v e r t o rm o d e li n ga n a l y s i si s o fg r e a ts i g n i f i c a n c ei na n a l y s i n ga n dd e s i g n i n gs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a st h ed i s t r i b u t e dp o w e ra n dl o w v o l t a g eh i g h c u r r e n tp o w e rs u p p l ya r ew i d e l yu s e d ， p a r a l l e ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sp a y i n g1 1 1 0 r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o i l lt h i sp a p e r , t h em o d e l i n ga n dc o n t r o l l i n go fp a r a l l e lb o o s tc o n v e r t o ri s i n d e p t h s t u d i e d ，w h i c hw i l lc o n t r i b u t eal o tt ot h ei m p r o v e m e n to ft h ep e r l b l m a n c ea n de f f i c i e n c yo f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y i n t h i sp a p e r , c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i n gm o d eo ft h ei n d u c t o rc u r r e n ti nc o n t i n u o u sa n d d i s c o n t i n u o u s ，t h ei d e a lp a r a l l e la n dn o n i d e a lp a r a l l e lb o o s tc o n v e r t o ro fs t a t e s p a c em o d e i a n dt i l et - sf f t z z ym o d e la r es e p a r a t e l ye s t a b l i s h e db yu s i n gs t a t es p a c em o d e l i n ga n d s f i l z z ym o d e l i n gm e t h o d i nt h ea s p e c to fp a r a l l e lb o o s tc o n v e r t o rc o n t r o l l e rd e s i g i n g ，t h ec o n v e n t i o n a lp ic o n t l o l a l g o r i t h mi sf i r s ta d o p t e d ，a n dt h e nt h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tb yu s i n gt h ec r i t i c a ls e n s i t i v i t y a p p r o a c ho ft u n i n g b a s e do nt h en o n i d e a lp a r a l l e lb o o s tc o n v m l o ro ft - st h z z ym o d e l ，t h e c o n t r o l l e rl b rb o o s tc o n v e l t o ri nc c m ( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) a n dd c m ( d i s c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e ) a r ed e s i g n e d t i l es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt i l et - sl i l z z yc o n t r o l l e r i sb e t t e rt h a np ic o n t r o l l e r i n d e p t hs t u d yo ft h ep a r a l l e lb o o s tc o n v e r t o r , an e wg r o u p s t y l eb o o s tc o n v e r t o l i s p r o p o s e dt or e d u c et h eo u t p u tc u r r e n tr i p p l ea n dd i f f i c u l t yo fp r o d u c i n gg a t es i g n a l s b a s e do n t i l ep r i n c i p l eo l p a r a l l e lb o o s tc o n v e r t o r s ，t i l ew o r l d n g1 ) 1 o c e s so l t i l ep r o p o s e dc o n v e r t o r t o p o l o g yi si n t r o d u c e di nd e t a i l s t h e nt a i d n gt w og l o u p so fd u a lp a r a l l e lb o o s tc o n v e l t o l sf b r e x a l n p l e ，t i l ed e s i g no l p l o d u c i n gs t a g g e r e dd r i v es i g n a l sa n dt i l ew a yo l 、c u r l e n ts l a m i n ga r e d e s c r i b e d t h es e l f - s d j u s t i n gw e i g h t e da v e l a g ec u r l e n ts h a r i n gc o n t r o l l e ru s e di n t h i ss y s t e m i sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h ep r o b l e mt h a tt h et r a d i t i o n a la v e r a g ec t l r r e n tc o n t r o l l e rc a l l t w o r ka c c u r a t ew h e nm o d u l ef a i l u r ei np m a l l e ld c d cs y s t e m s i m u l a t i o nl e s u l t sd e n l o n s l r a l e t h a tt h ed c d cc o n v e r t o r sw i t hg r o u p s t y l es t a g g e r e dp a r a l l e lt e c h n i q u ea r ea d v a n c e da n d f e a s i b l e f i n a l l y , b a s e do nd s p a c e ，p ic o n t r o ls y s t e ma n dt - sf u z z ys y s t e mw a sd e s i g n e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t ya n da d v a n c e do f t - sf u z z ys y s t e m k e y w o r d s ：p a r a l l e l ，b o o s tc o n v e r t o r ，c u r r e n ts h a r i n g ，t - sf u z z y , g r o u p s t y l es t a g g e r e d p a r a l l e l ，d s p a c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 起王丝日期：j 刃年罗肋日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定口 签名：童篁釜签名：茗主盏 第一章绪论 第一章绪论 l - l 开关电源的应用 开关电源的研究开发和生产从2 0l = 纪7 0 年代兴起，8 0 年代初，中国也开始了开关 电源f l j g 究工作。日疗仃，开关电源在各领域已得到广泛的应用，其发展速度是惊人的。 根抛f r o s ta n ds a u l l i v a n 公司的统计资料显示，全球开关电源市场在上个世纪最后十 年就得到了迅猛的发展。从1 9 9 2 年的8 4 亿美元猛增至1 9 9 9 年的1 6 6 亿美元，平均年 增k 率为10 ，在计算机、电子仪器仪表和通信没备中应用得最多的开关 乜源，有 a c d c 、d c d c 两种。1 9 9 9 年，d c d c 电源所占的市场份额由1 9 9 2 年的2 0 增长至 2 4 ，这一比例正在逐步上- y t i 。自1 9 9 4 年我国原邮电部做出决策，要求通信领域推广 使川丌关电源以取代槲控电源，开关电源在在我国得到了迅猛的发展。仅以移动通信为 例，国家信息产业部统讨+ 数据显示：我国曰日订手机用户数量已经超过6 3 亿，全球手机 j 广总数大约为3 0 亿，有专家分析预测到2 0 1 0 年，全球手机川户数量将达到4 0 亿。 为如此之多的移动终端提供数据通信j j i 吏务f 1 , 0 基站数量也是数不胜数，2 0 0 8 年公斫i 的数据 显示，仅一i 国移动j ) i j 有的基站数量就达到了3 0 7 万，2 0 0 9 年，c i j 国移动将斥资5 8 8 妊k 新建6 万座3 g 通信基站，以满足同益发展的3 g 通信网络的需求，移动通信电源市场 的阿一次井喷已经到来。止l # i - ，有线i 列络通信、医疗器械、家电产品、办公产品、个人 消赞电子产品等领域的迅猛发展也将为开关l 乜源提供巨大的市场b 0j 。 同时，应用一 ：机械、电力、轨道交通、冶盒、石化、汽车、水泥、煤炭等工业领域 的工业开关r 乜源也有着十足的发展空l 日j 1 4 i 。2 0 0 8 年大陆工业开关r 乜源市场规模约为1 1 8 亿元人民币，棚埘2 0 0 7 年，增长率为1 2 7 ，受会融危机影响，预计2 0 0 9 年增i 矢密将 不会超过7 ，但足随着政府4 万亿经济刺激计划的逐步实施，国家在电网改造、轨道 交通、新能源f l , j j = 发与利刚等方面工程的实施，将有效提高开关电源需求，为开关电源 企业的发展提供良好的契机1 4 引。 1 2 并联d c d c 变换器概述 d c d c 变换器属于功率电子学的研究范畴，涉及到电力电子和控制理论等学科， 从七十年代初发展至今，有关这类变换器的理论分析和应刚研究得到了极大的发展。 在电子设备领域- 二 j ，通常将整流器称为一次f u 源，而将d c d c 变换器称为二次电 源。一次f 乜源的作用是将单柑或者三相交流r b 网变换成直流电压。而二次电渊的作用足 将频率、振幅刁i 可调的直流电压转换为频率、振i 幅均可调的直流电压，通过这一过程可 以有效地捉商输出电能的功率因数，故d c d c 变换器又称为功率凶数变换器( p f c ) l 托q 1 。 随着科技的发展，电子设嵛往往需要大容量的：卣流电源供电，例如：巨型计算机系 统需要5 v 、几百安培的电源供 b ；通讯川f 乜源系统需要5 0 v 、2 4 0 0 a 的电源供电；固 态雷达发射机需要4 0 v 、1 0 0 0 a 的稳定度i 每、纹波低且噪声小的电源供电；下一代的微 处理器需要1 1 u 1 8 v 、3 0 a 5 0 af l j 特k l 电源一电压调整模块供r b 等。由于单个电源组 汀南人学坝i ：位 仑义 什能 ! j 多捉f j t f l ；j 功率容量毕竞自限，在需要人容量供1 幽铺写沙i ! i 、，如果仍然采川j n 个i i x i j j l i 供i 乜l ，! l ! i j 该变换器必然婴i t f f j ( l 巨火的f 乜应力和功率处州，给功率器件1 1 ，j 选择、开关频率 和功率密度的捉1 每带米困难。并且一旦单个i 乜源发牛故障，则导致骼个系统肋j 溃。币j 采 川多个电源模块并联运行，来提供大功牢输出足_ ! i 源技术发腱的一个新方向。- j p - i d 3r l ! 源 系统中每个i 乜源模块只是处里l ! 较小功率，解决了上述单个电源遇到的问题，而且还可以 应用冗余技术，提高系统的可靠性i 。 近年来，采用，f ：联供r 【! l 技术的分前j 式电源系统受到广泛霞视。棚对一誓统的集中式 供r 乜，分斫j 工r l 源利用多个中、小功率的i 【i 源模块并联求组她积术式的人功率i u 源系统。 在空i 、闩j 上各- 4 模块接近负载，供f 乜质量高；通过改变并联模块的数量米满足不川的负；戈， 设计灵活；每个模块承受较小的电应力，开关频率可以达到兆赫级，从而提高了系统的 功率密度；分斫j 式i 乜源系统可方便地实现冗余，减少产t w 。种类，便- j i 标准化。 总m 言之，大功率负载需求和分斫j 式b 源系统的发展，使得开关电源) i 二联控制技术 砂f 究的重要性 , i t j 曾j j | 1 。较之f 譬统的单电源供r 乜而言，并联t 乜源系统其有很多优点，例 如：t v 实现大电流、高效率：能够保证较高的t i j 靠性；能根据需要配臀成冗余系统：能 够实现l 乜源容量的叫扩展一肚；能够降低成奉投入等等。 交错并联技术是并联供i 乜技术的一种特殊彤_ = 】= 七，并联的所有变换器按照时序方工 作，各个功率斤关交孛夺通断。交错并联拓扑具有一直输 jr 乜- 流纹波、降低输出滤波器的 容量州扩大系统功率输| - j j 的泓箸优点i 。在交错并联技术f | ，j ! ；6 1 1 1 上，本文提出了纰式交 错= j f 二i f 关技术，以多个模块乒i ：联构成一组，多组交错运行，有效地降低了交错组数瓠控 制器交错算法的复杂度、各个模块功率负载，提高了输r u 流质量。 1 3 并联d c d c 变换器研究现状 日d 订各闻的研究主要集巾在d c d cj - i ：天变 1 9 1 器的系统建模、闭环控制、拓扑结构、 开关器什的应用、软开关技术、如何减小设备的体积和重量以及洲试、 u 磁- 爿挺容一- t - - - j g l ： 争 j l l j l j 等方面。但足，f ff j ，在d c d c 开关变换器的建模及其控制等方而仍术建立通用的 成套方法，尤其屉现有的一些理论具有较明显的局融陆。 1 3 1 建模方法 在d c i d c 开关变换器的斧种缱模疗法- 1 卜，比较常丌j 的足状态空| 1 i j 平均法，小f 矗弓 建模法，大信号建模法，r t t i f f , 甲均法。 状态空阳j ! f 均法足1 9 7 6 年m i d d l e r o o kr d 等人捉h ，它是从d c d c 丌关变换 器工作的各个子拓扑的状态方_ ：f 翟出发，通过刈l l ；l - f h j 进行加权甲均处邢l 瓜得到一个火+ j ：原 电路统一的状态方程，再经小信号扰动和线性化处理，得到一个统一的等效i b 路1 ：典型。 然而该模型1 j 原i 乜路拓扑棚去甚远，不易耻解，且连续和断续导通两种模式的等效i 乜路 也不棚同。此外状态空| i l j - 1 7 均法要求开关频率远大于电路的n 然频率，若两者频；钳蔓近， 则该方法失效雌1 。 通过建赢：i 犬念审问平均模型，即_ f l j + 同时建立小信号模型。此外，在状念伞| 1 i j j r 均模 型的旗础一卜，蔡宣三三等人推导出d c d c 开关变换器统一的火信号等效1 l = l 路，分卡j i 变换 2 第一币绪论 器f 1 f _ 作特点并进行数值仿真计算。 电路平均法足从电路结构出发，利刚时f u l l - 均技术进行电路分析，但当电路元件增 多，要得出甲均后的拓扑结构需要很大的运算量。电路平均法主要有：三端开关器件模 型法、时i 叫平均等效电路法、能：量守恒法。其中，三端开关器件模型法足1 9 8 7 年美国 弗古尼功率i 乜子中，c , , f l jv o r p e r i a nv 提出，时问平均等效电路( t a e c ) 建模方法在1 9 8 8 年t h t q ：建j f 等提出，能量守恒平均法在1 9 9 2 年山c z a r k o w s k id 等提山i 心i 。 三端开关器件模型法的缺j s 是：开关变换器的等效电路模型中的受控电堰源和受控 电流源的个数较多，模型彳i 简u 月，且目 ，j 仅用于p w m d c d c 开关变换器连续工作模式 ( c c m ) f l , j 建模，对d c d c 开关变换器断续工作模式的建模，尚未见报道。 1 3 2 并联d c d c 变换器控制方法 传统的开关r 包源，一般足基于p i 控制方法设计，利用d c d c 变换的小信号模型， 然i 面研究表明，因为d c d c 变换器本质是非线性的，因此基于小信号1 模抛设计出来的 控制器，不能保证系统在输入和负载火范围变化下的稳定性| l l j 。由于这些问题的存在， 研究人员不断寻找更为有效的控制策略。 日日订，对于d c d c 变换器的智能控制方法f l j ：【0 1 ：究工作已进行了很多，现在本趣采 剧状态反馈的方法，如基于双线性大信号模型的状念反馈控制器、带非线性f j 矿馈的线性 二次型调节器、j 带参数辨识的自适应状态反馈控制器、滑模变结构控制、基于输入输出 线性化的自适应控制器等，都取得了不错的控制效果。同时又有一部分采用了新的镯能 控制方法，所有这一切都使d c d c 变换器的控制研究进入了一个崭新的阶段【15 - 1 9 1 。 1 3 3 并联d c d c 变换器均流方法 并联电源系统较之传统的单电源供电有一些明姒的优势，但如果将各模块直接并 联，就会h = j 现各予模块不能均匀分担负载电流，导致系统无法j f 常工作，甚至导致系统 损毁的恶劣后果。因此并联d c d c 变换器均流控制是并联d c d c 控制系统中一个非常 重要的部分。 由于工艺水平的限制以及误筹的不可避免性，并联系统q 1 各模块彼此刚的参数必然 会有些差i j 0 ，l 同时，并联系统外部诸如温度、湿度等因素的变化而导致各模块参数的差 别_ i j j 能会比模块本身固有的差刖更大i ”。鉴于模块之问参数无法做到一致，如果将各模 块直接并联，势必难以保证各模块均匀分担负载电流，甚至可能会有些模块f j j 能根本没 有输出i 也流的情况。在并联电源系统中，如果各个模块没有均担负载电流的话，可能会 导致诸如部分模块温度升i 岛、大负载情况一f r , l ，分模块出现保护动作、模块损坏几率上升 等| u j 题。 从本质上讲，模块并联运行需要均流的主要原因是由于模块输出是电压源性质，输 = ii 匕压的微小偏差将会导致输出电流的很大差别。凶此均流可以通过改变电压源的特性 ( 使特性偏软) 或改变电压源蝴旧值来实现。从t ：- i 自，圈内外刘均流技术f l j 币3 1 ：究看，在并联 的1 乜i i 5 1 系统中，实现均流控制常h - j 的方法主要有下垂法、主从设置法、平均f 乜流均流法、 最大电流均流法、热应力自动均流法六种。 汀：雨人。t i , j ij j 掌1 讧论义 日f j 玎这儿种常川的均流技术，各有特j _ ，其r f l 输l n 抗法利最人i u 流1 7 l 动均流法应 用较为j 泛，并且已确现成的集成控制芯片。下i t i i x , 它们做简i 俐i ，j 比较： ( 1 ) j 三从砹臀法均流利i j 双环控制，提高了均流效果，主婴缺点足：( a ) 丰从帧块1 1 i j 必须有通讯j 朕系，使系统复杂；( b ) 如果生模块失效，则糕个r l l 源系统不能工作，1 2 , i d 匕 这个方法不是英浯冗余并联系统：( c ) 电压州：的带宽大，容易受外界干扰。 ( 2 ) 平均r u 流法可以精确地实现均流，但具体应用时，会出现一些特殊叫题。例如， 当均流母线发乍短路，或接在母线上的任一个模块不能工作时，母线r 1 压下降，将促使 各模块i 乜压下调，甚至达到其下l ；艮，造成i 1 友障。而当某一模块的r 【l 流l ：7 1 到极限时，该 模块i i l 流人幅度增大，也会使其它的输乜流臼动凋：1 了剑下限。 ( 3 ) 采刖夕l - ：b n 均流控制器虽然可以获得很好的均流效果和电胝渊整率，但需要外加 一个均流控制器，一旦它发生一1 改障，系统将难以正常二 作；而h 当并联模块较多时，并 联系统的连线也较多，在一定程度上ti i g 降低了系统的可靠性。基于这些原因，这种方法 实j l j j 4 i 多。 并j = 1 均流j j - 1 1 0 擀f 1 9 引入，将使，f 联电源系统的动态过程分析更加复杂，f f ! - j l l 果刁i 注 意均流控制环的矿确改汁，将使系统不稳定，或青使系统动态一陀能变坏。 ( 4 ) 下乖法彳i 需要在并联1 ：蜒块i u 源州建立联系，是最简州向i ：i 阪均流的方法。f j l 它 的缺点也很叫泣：首先它足通过改变模块等效内| 5 | l 实现均流，在提高均流。陀能的| i i ：j i i , j 1 会 导致模块的r l z e 训悟率下降。文献i3 2 川! l 列拈捌：联系统输出i uj 埘皮z 讪范为5 ，箭j i ：】淡 模块i u 源负载特性| l l | 线斜牢差异为1 时，要想实现均流精度小于1 0 ，各模块电压空 载差异必j d i 4 , 于0 3 5 。闪此输出| l i 抗法难以j f j 在刈咆压渊繁；莩要求较i 岛的f i = ! l 源系统巾。 其次它要刈每一个模块进行个刖渊整，并且对于额定功；举f i i 刊的并联模块，难以实现均 流。 采用输叫5 j 【抗法时，还有很多因素会影n m 【l 流的分配，如：外部运行条件变化，元 器什队能的筹异，元件的老化等等。凶此当系统运行一段时f i j 后，均流性能会大l 盯f 阶。 ( 5 ) 采川最人r 匕流自动均流法的并联模块电源| n j 不足孤：妒的，是通过一条均流母线 ( s h a r i n gb u s ) t 炎系起来的。它为每个模块电源提供了一个电流基准值，而所有并联模块 电源则依据这个轼准值来训榉其输电流，实现系统总电流在各个并联模块之f e l j 的精f 确 分配，瓯i 此足种优良的均流方法。 最人i _ 乜l 流i ：| 动均流法巾的均流母线上体现输出电流最大的那个d c d c 变换器的1 1 3 流信号( 转化为电j ：k 信号) ，该模块也可以称为卡模块，其他电源模块( 从模块) 根4 ：l f ；这个 电流信号来渊整自身的输f 。f i r 乜流，知道某一个从模块的输出i 乜流超过上恢块f 1 9 输l - 【i 流，从而成为新的：i 三模块，闪此这种厅法也称为自动：1 = = 从法，采j t j 这种方法i j 以实脱较 好的= j c 余，不会l 捌为某一模块的敝障而影响栏个系统的运行，而r 均流母线的抗i i 扰性 能比较好。仉是盯1 二二1 j 从模块总处于不断的切换中，会导致各个模块的输 uf 乜流产生一 个倾斜震荡，产! 摇摆问题。不过只要合列! 设置参数，这个| u j 题的影l 响并不十分严霞。 综卜所述，可以总结出以上六种方法的优劣比较j f c i i 表1 1 所示： 4 第一章绪论 表i i 各种均流方法优劣比比较 t a b i - is t l e n g t h sa n dw e a k n e s s e so f v a r i o u sc o n e n ts h a r i n gm e t h o d s 方法名称 均流精度 可靠性应h j 范围 主从设置法较高 差 较少使用 l 均电流法r 口】较好较广泛 夕l - j j t l 均流控制器法较高最差很少采j ：f j 下垂法 较差 较好应用广泛 最大r 【l 流法i 目j好应用广泛 热应力法一般差 很少采， j 以上所讨论的集中控制策略都各有其优j i i 与不足，所以在为了f ：联系统设计均流控制 乜路时，应根据实际应j h 的具体总电路要求和客观标准，如均流性能指标、系统可靠性、 成本费i j 等，选用币确的且能满足各条件的均流方案。 1 4 论文研究内容及结构安排 本文主要绕，f ：联b o o s t 变换器的建模方法、控制策略、主i 乜路拓扑结构进行研究。 通过本课题的研究，可将复杂的智能控制算法与d c d c 变换器相结合，提高死汰 电源 的效率。本文各章：仃主要作如下安排： 第一章介绍了并联d c d c 变换器研究背景，并对从建模方法、控制策略、均流控 制方法三方而对并联d c d c 变换器的研究现状进行了详细地阐述。 笫二章针对并联理想b o o s t 变换器和并联非理想b o o s t 变换器两种情况，在变换器 电感i 乜流连续和电感l 乜流断续两种工作模式下，分别采用状态空间建模和t - s 模糊建模 法，建立了并联b o o s t 变换器状态空间模型和t - s 模型。 笫三章首先基于状态空间模型，设计了p i 控制器，利j 1 | 临界灵敏度法对参数进行 了箍定。然后堆于建立的t - s 模糊模型，给出了模糊控制器的参数化设计方法。通过仿 真对两种控制器l ， 勺有效性进行了验证，比较分析发现，t - s 模糊控制可以取得比p i 控制 器更女，的控制n 能。 第四章在并联b o o s t 变换器交错运行的基础上，提出了组式交错并联拓扑结构。分 析研究了交错并联技术的原理，阐述了组式交错并联技术原理和交错驱动信号产生，设 计纠式交错并联b o o s t 变换器控制器，为组式交错并联b o o s t 变换器设计了新的均流策 略杖值自训整平均| - 巳流自动均流控制策略，进行仿真研究。 第血章建立攮于d s p a c e 的并联b o o s t 变换器实验平台，通过实验研究，有效征明 了第二章建立的模型的m 确性和第三章设计的控制器的有效性。 第六章为结论与展望，在划。n 订面所作的二i 二作进行总结的基础上，并对下一个阶段的 工作作出展望。 第_ 二章卅：联b o o s t 变换器矬模 第二章并联b o o s t 变换器建模 2 1 概述 d c d c 变换器是现代电力i 乜子技术r 1 1 的重要组成部分，按输入输出m 足否有电气 隔离叫分为不隔离式和隔离式。不隔离的直流变换器按开关器件个数分为巾管、双管、 四管3 类。其中m 管直流变换器有6 利- ：b u c k 变换器，b o o s t 变换器，b u c k b o o s t 变换 器，c u k 变换器，s e p i c 变换器，z e t a 变换器。双管有双管串接升压型b u c k b o o s t 变换 器。f f w l h , j 离的d c d c 变换器中，单管的有正激式和反激式，双管的有双管正激、双管 反激、推挽和半桥，四管的有全桥型i 引。 印管不隔离d c d c 变换器中，b u c k 和b o o s t 属于基本结构，其它4 种结构都是由 b u c k 和b o o s t 组合而得。本文只针埘并联b o o s t 变换器的建模方法进行研究。 y l l d +q 兰 ie _ v 。 r c 0 ，_ 1 ，2 ，l 司时 有，7 ，( z ( ，) ) 0 ，靠( z ( ，) ) = 1 ，_ 1 2 。 山上述t - s 模糊模型结构可知，t - s 模糊系统是一个模糊规b ! , l i i ；j 集合。模糊舭则是 通过划整个t - s 模糊模型的输入空问进 j ：划分所得。一个模糊j 况b ! , lp i , j j 仃捉部分表示输入 空m 的一个子空i n j ，而结论部分则表示棚应予空f l i j 的局部输入输h 关系，其表示函数采 川线性形式。每一个模糊子空 1 i j l ：f ：l j 规i j ! , l t l l ；表示一个局部线性模垲，通过使川隶属函数 平滑地将箨个局部模型连接起来，从而形成二二线i ：l - i 拘全局模糊模型，以表征复杂的：限线 性系统。 t - s 模型足小质：卅线性模型，：白：于表达复杂系统的动态特性。它结合了模糊4 ：6 型中 刈系统的语义挑述和存实际中广泛使川的传统函数化描述方法。町以方便i f i 勺采川传统控 制策略设计相关的控制器。并p = 1 t - s 模糊模型已经被i i e 明可以确保输表i f _ 【的连续。阽， 并一l i 以任意精度逼近连续的j 1 卜线性系统，很适合基于g t i 4 1 ：i ；j 控制系统，t - s 模糊系统已 经受到了越来越多的应用。 考虑问题| 铲般性，水带仅建立并联j i | = 理想b o o s t 变换器c c m 和d c m 状态下的 t - s 模糊模型，只要将并联- = l l - s l 想b o o s t 变换器中各原件的寄乍电阻取值0 ，模型u l j 退化 为爿：联邢想b o o s t 变换器t - s 模糊模型。 2 3 2c c m 模式下并联非理想b o o s t 变换器t - s 模糊建模 j g ( 2 1 3 ) 是c c m 模式下并联非心! 想b o o s t 变换器：队态空i 兀j 模型，陔状念方程一i 一含有 状态量与控制量乘积的二：次项，因此此方程具有非线性的特点。 令x = i + 文，i i = 一i i + i i ，其中i 、万分刖为状态方程( 2 1 3 ) 所捕述的系统稳j e 时l f i 勺则 望状态以及j j i ：l 付列应的l 吁空比，文、打分别为状态方干一i a 、2 1 3 ) 所描述的系统t 1 , j ；i j t 态误幕以 及占空比误筹。袱据稳定性定义，系统稳定时l = 0 可得： 彳i - 1 - b ( 叉) 万- t - d = 0 ( 2 1 8 ) 1 6 笫二章并联b o o s t 变换器让模 其巾：口( i ) = 瓦厶 o o p 孓i c 叫 根据系统特性，可知： 经数学恒等变换可得： b ( 2 ) = b ( 万) = 曩l l o 0 一p 孓l | c 铷 o o 0 0 瓦i c 。 o x 4 l 2 0 一盼2 | c 叫 o 0 x 一4 厶 一p 墨| c 。 顾曲= 觑2 + x - 3 = 履i ) + 以固， 砸= 厦万谚，其中： 0 x 4 l 2 o 一卢贾2 c e q o 0 0 一p _ 2 c 。 o o 曩l 3 一p 2 3 c 。 o 0 0 一p 弧 c 哪 一i l i 砭l 2 瓦l 3 0 j q - ( 2 18 ) 代入( 2 13 ) q 1 ，并注意到一l 述关系，化简可得： 受= a 囊+ b t 元、) 函 其中： a = a + b ( e 1 = a 0 0 ( i 一玩) 卢 o 仅， 0 ( i 一砚) 卢 0 o a 3 ( 1 一玛) 卢c , , q 一( 1 一甄) l ， 一( 卜瓦) l 2 一( 1 一瓦) l 3 0 r g , ( 2 ：1 9 ) 注2 1 ：力入控制量的掰j ，j 足使电路输出稳定时，输出电压等于别望电j ：，此时有： 瓯= 觋= 瓦= l e k 叫，墨= x 一2 = 葛= j , i ，叫2 ( 3 木e 水r ) ，“为期望输出电压。 此时，公式( 2 1 8 ) f r , j 解的物理意义为电路稳定后的状念及其控制输入。根据并联 b o o s t 变换器电路参数，取m l l n i n ( i ，) ，m ，m a x ( i ，) ( t 为电感电流) ，在开区间 ( m ，m 。) 内再取1 1 1 2 个点，得到序列m ，( kl ，2 ，1 1 1o 考虑到并联变换器各个部分的 对称性，x , l x ，、x ：、恐的模糊1 ： z u 一- - 。蚁i - i 相同的划分：x 。= 【m ，m ：】，y = 【m - l ，m 川】， ( - 2 朋? 一1 ) ，一。= 【m m - im 。，】。另取l m i n ( v ) ，m a x ( v , ，) ，在开区j l i j ( n ，) 1 4 再取，7 2 个点，得到一个序列，( i = 1 ，2 ，胛) 。定义的模糊沦域 】，= n 。，2 】，r = m 书+ 】( 扛1 ，2 ，n - i ) ，】，= 【，h ，】。将_ 、x 2 、_ 、x 4 的模 糊论域进行彳i 重复组合，代替( 2 2 0 ) q , f 约_ 、x 2 、恐、x 4 ，这样可以得到一组线。t - z - 定常 拳u i 竭：方干翟，日i 】： 未= a 。戈+ b ，厅( ，：l ，2 ，r ) 1 7 江南人。；f i ! ；ii j ! ! f 口沦史 式m ib= n 。，l 1 0 o m 。，卢c ，q o n 。，l 2 0 一m h 0 c w 0 o n 。，厶 一m 。7 c 叫 ，= 聊3 ，7 ，= ( 订一1 ) 7 7 7 + ( 6 一1 ) ， + ( c 一1 ) ，”+ d ，d = 1 ，2 ，m ，b = l ，2 ，刀? ，c = l ，2 ，# y ， d = l ，2 ，7 ，m 一鸭、m 。分别为x 。、x 2 、的模糊序列中的 ，l ，为，序列叫j 的 点：。 定义堆， - 状态误差f i o - ) t - 联b o o s t 变换器t - s 模糊模型第，条规! j ! 【j 如下： l ：i f x l i s f i ，a n dx ! i sf ；p a n d x 、i sf p a n dx i s f ；。t ， t h e n 妄= 彳膏+ e 打，= 1 ，2 ，r 。( 2 2 0 ) 其r f l ，r 为第，条模：? i ，4 - - ：一，ii ：i h i i 、1 j ，只p ，分刖为模糊论域x 、y 的4 英糊集， ，为舭则数。 采j t j 单点模糊化、乘_ ：| i j 征珊羽l 甲均力杖反模糊化，可得到系统( 2 2 4 ) f l j 全局状态方 程如下： 未( ，) = 勿( x ) ( 瓜( ，) + e 西( ，) ) ( 2 。2 1 ) ，= i 其中，曩( x ) = 1 i ：( x ) ( 1 l j ( x ) ) ，1 i ；( x ) = 兀l ：乒l ，( x i ) ，f ，( x ，) 为f i ：第，条模糊舰! j ! i j tl ，模 ，等i 糊变量x ，在其模糊集合i ，j 隶属皮函数。汜囊( v ) = 忽，根据i 二述摊耻过稚仃： 引理2 1 川：记，= 曩，( x ，) = ，f ，( 1 ，) 若扛肌。，满足血f i f 条f l ： ( a ) 。，= l ， “= ih = l = if ，= i ( b ) 0 红， 。，1 ， ( c ) 。，m h = 1 ( _ 1 ，2 ，3 k = l ，2 ，3 ) ， “二lh = ir 之if ，= i ( d ) 。，n ，= v 。 ，= i ，= l 2 if ，= l 其一一 im 。，为模糊化并联变换器第k 个予模块i 乜感电流时h v , f i ；j 第，个点。则t s 模糊4 ：葵型 ( 2 2 1 ) 与式( 2 1 9 ) 表达的系统等价。 注2 2 ：( 扛 。，f i 勺存在性) 满足定州巾i k _ q - i - 条f p - f i 囊小f ，是存在的，例如取i 角函数心肌，( x ，) 为模糊集的隶属度函数，且m 。( 或m ，、m 、l ，) 为刈应模糊集合的啦t i ，f 肌。，( m ，) = l ， “= 1 ，2 ，# 1 7 ：h = 1 ，2 ，1 1 1 ；c = 1 ，2 ，m ；d = 1 ，2 ，? 。 通过选收合适的隶属度函数，可以使t - st t ；1 ) t 念方年! a 等价，隶属度函数结构j # x l ih 2 1 】所示： 第二章爿：联b o o s t 变换器建模 0 图2 1 1 隶属厦函数结构图 f i g 2 11m e m b e l s h i pf u n c t i o ns t r u c t u r e 电感厶= 9 5 0 p h ，l 2 = 1 0 0 0 p h ，l 3 = 10 5 0 p h ，电容c j q = 4 7 0 p f ，负载电阻r = 8 q ， 。 1 感寄生i t t i ! t ir = 7 0 q ，r l