基于Buck變換器的滑?？刂品椒ㄑ芯?/h1>
2014-04-29 00:00:00李永恒梁青陽孫超
航空兵器 2014年4期
摘要：為更快獲得比較理想的直流輸出電壓，優化Buck變換器的動態性能，本文采用滑模控制方法。提出了一種改進型雙冪次趨近律，即將雙冪次趨近律的符號函數替換為飽和函數，并增加指數項。文章驗證了算法的有效性，并給出了系統到達滑模面時間的具體計算。仿真結果表明，采用此種滑模控制策略，克服了系統到達滑模面時間長、抖振大等缺點，進一步提高系統的動態性能。
關鍵詞：Buck變換器；滑?？刂?；改進型雙冪次趨近律
中圖分類號：V37文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0027-04
0引言
電能的處理和變換是工程設計中的一個重要環節。作為功率變換裝置的Buck變換器己經成為一種不可缺少的電能處理單元。在同樣的功率等級條件下，相對于功率晶體管工作在放大區的線性調整器而言，Buck變換器具有體積小、重量輕和輸出電能質量高等特點。但隨著功率半導體的技術不斷進步，在能源日趨緊張的今天，如何使電能變換裝置效率和輸出的電能質量更高，是擺在人們面前的一個重要課題。
滑模控制是變結構控制方法的一種，其對內部參數和外部干擾不敏感，具有很好的魯棒性，動態響應特性也較為優異，適于Buck變換器。在理想條件下，由于切換頻率無限大，不會產生抖振，但在現實情況下，抖振則無法避免。抖振可引起系統的高頻振蕩，為其在工程實踐中的應用提出了極大的挑戰。
國內外學者針對滑?？刂贫墩駟栴}提出了很多解決方法。我國已故著名科學家高為炳先生創立了趨近率方法來減小滑模運動中的抖振問題，得到了理想的效果[1]。文獻[2]首次提出了采用變速趨近律產生扇形的切換區，并給出了扇形切換區準滑動模態的數學模型。文獻[3]將模糊控制與滑?？刂平Y合，通過模糊規則調節指數趨近律的系數，改善滑動模態的動態品質，減小系統的高頻振動。文獻[4]提出了一種雙冪次趨近律，利用雙冪次趨近律系統由任一初始狀態出發，收斂速度都能夠優于指數趨近律和冪次趨近律，大大削弱滑模變結構控制的固有抖振。文獻[5]在冪次數趨近律和積分趨近律的基礎上，設計了冪次數積分趨近律及冪次數指數積分趨近律滑模觀測器。從仿真結果中可以看出，滑模觀測器在抑制抖動方面起到了很好的效果。文獻[6]提出了最小投影法切換律的控制方法，為提高切換律的魯棒性與收斂率，在設計中進行了平衡點的補償。文獻[7]提出了一種新型的離散趨近律，針對系統的不確定部分設計了擾動預測器，使系統狀態穩定于原點，具有很高的估計精度，有效地減弱了抖振。文獻[8]針對系統的不確定項，利用模糊控制進行在線估計，對切換增益進行模糊自適應調整，在滿足滑模到達條件的基礎上，盡量減小切換增益，以降低抖振。
本文在文獻[4]的基礎上，提出了一種改進型雙冪次趨近律，即將雙冪次趨近律的符號函數替換為指數函數，并增加指數項。
1Buck變換器的基本拓撲結構
Buck變換器是直流降壓變換器又稱為直流斬波器，它是一種輸出電壓平均值小于或等于輸入電壓的單開關管的直流電壓變換器。
圖1為Buck變換器的拓撲結構圖，U1為輸入直流電壓，Vg為開關管，負責整個電路的通斷，D為續流二極管，L，C分別表示電感、電容，RL為負載電阻。
2改進型雙冪次指數趨近律
滑模結構僅僅實現了在狀態空間任意點必然在有限時間內到達滑模面的要求，但在這段時間內，對運動點的具體軌跡未作任何規定。在廣義滑模的條件下，可以按需要規定如表1的四種趨近律。
比較上述四種趨近律可以看出，單冪次趨近律可保證有限時間到達，但存在趨近時間長、趨近速度小的問題。為改善單冪次趨近律的缺點，進一步削弱抖振，提出了一種改進型雙冪次趨近律：
αsats（）增加了系統接近滑模面（s<1）時的速度。α越小，則s<1時的收斂速度就越大。因此，適當減小α的值，可以增大s<1時的收斂速度。另外，通過式（3）可以知道，當s=0的時候，s=0。所以，在系統到達滑模面時，速度減小為零，與滑模面實現了光滑過渡，大大削弱了系統的抖振，克服了指數趨近律的缺陷。同時適當增加ε1，ε2的值，也能夠提高系統的收斂速度。
式（3）中的前2項，相當于對系統采用了分階段控制，從而使系統在分界點不能平滑過渡，影響了系統的動態品質。為克服這一缺陷，增加第三項-ks來緩解系統在分界點的不連續性，并使系統抖振以指數的形式衰減，從而削弱系統的抖振，保證系統的穩定性。
3系統動態品質分析
由圖2～3可以看出，采用單冪次趨近律和改進雙冪次趨近律，系統均能到達滑模面，穩定于原點附近的一等幅區域。從圖2可知，采用單冪次趨近律，系統到達滑模面時間為t=0.0029s，到達滑模面時抖振較大，衰減速度緩慢；從圖3可知，采用改進雙冪次趨近律，系統到達滑模面時間為t=0.0021s，到達滑模面時抖振較小，衰減速度較快。圖4～5進一步驗證了以上結論的正確性。
5結論
本文所提出的改進型雙冪次趨近律，能夠縮短系統的到達時間，減少到達滑模面時的抖振，加快衰減速度，能夠較好地改善Buck變換器的動態品質，對航空工程實際有一定的借鑒意義。
摘要：為更快獲得比較理想的直流輸出電壓，優化Buck變換器的動態性能，本文采用滑模控制方法。提出了一種改進型雙冪次趨近律，即將雙冪次趨近律的符號函數替換為飽和函數，并增加指數項。文章驗證了算法的有效性，并給出了系統到達滑模面時間的具體計算。仿真結果表明，采用此種滑模控制策略，克服了系統到達滑模面時間長、抖振大等缺點，進一步提高系統的動態性能。
關鍵詞：Buck變換器；滑?？刂?；改進型雙冪次趨近律
中圖分類號：V37文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0027-04
0引言
電能的處理和變換是工程設計中的一個重要環節。作為功率變換裝置的Buck變換器己經成為一種不可缺少的電能處理單元。在同樣的功率等級條件下，相對于功率晶體管工作在放大區的線性調整器而言，Buck變換器具有體積小、重量輕和輸出電能質量高等特點。但隨著功率半導體的技術不斷進步，在能源日趨緊張的今天，如何使電能變換裝置效率和輸出的電能質量更高，是擺在人們面前的一個重要課題。
滑模控制是變結構控制方法的一種，其對內部參數和外部干擾不敏感，具有很好的魯棒性，動態響應特性也較為優異，適于Buck變換器。在理想條件下，由于切換頻率無限大，不會產生抖振，但在現實情況下，抖振則無法避免。抖振可引起系統的高頻振蕩，為其在工程實踐中的應用提出了極大的挑戰。
國內外學者針對滑?？刂贫墩駟栴}提出了很多解決方法。我國已故著名科學家高為炳先生創立了趨近率方法來減小滑模運動中的抖振問題，得到了理想的效果[1]。文獻[2]首次提出了采用變速趨近律產生扇形的切換區，并給出了扇形切換區準滑動模態的數學模型。文獻[3]將模糊控制與滑?？刂平Y合，通過模糊規則調節指數趨近律的系數，改善滑動模態的動態品質，減小系統的高頻振動。文獻[4]提出了一種雙冪次趨近律，利用雙冪次趨近律系統由任一初始狀態出發，收斂速度都能夠優于指數趨近律和冪次趨近律，大大削弱滑模變結構控制的固有抖振。文獻[5]在冪次數趨近律和積分趨近律的基礎上，設計了冪次數積分趨近律及冪次數指數積分趨近律滑模觀測器。從仿真結果中可以看出，滑模觀測器在抑制抖動方面起到了很好的效果。文獻[6]提出了最小投影法切換律的控制方法，為提高切換律的魯棒性與收斂率，在設計中進行了平衡點的補償。文獻[7]提出了一種新型的離散趨近律，針對系統的不確定部分設計了擾動預測器，使系統狀態穩定于原點，具有很高的估計精度，有效地減弱了抖振。文獻[8]針對系統的不確定項，利用模糊控制進行在線估計，對切換增益進行模糊自適應調整，在滿足滑模到達條件的基礎上，盡量減小切換增益，以降低抖振。
本文在文獻[4]的基礎上，提出了一種改進型雙冪次趨近律，即將雙冪次趨近律的符號函數替換為指數函數，并增加指數項。
1Buck變換器的基本拓撲結構
Buck變換器是直流降壓變換器又稱為直流斬波器，它是一種輸出電壓平均值小于或等于輸入電壓的單開關管的直流電壓變換器。
圖1為Buck變換器的拓撲結構圖，U1為輸入直流電壓，Vg為開關管，負責整個電路的通斷，D為續流二極管，L，C分別表示電感、電容，RL為負載電阻。
2改進型雙冪次指數趨近律
滑模結構僅僅實現了在狀態空間任意點必然在有限時間內到達滑模面的要求，但在這段時間內，對運動點的具體軌跡未作任何規定。在廣義滑模的條件下，可以按需要規定如表1的四種趨近律。
比較上述四種趨近律可以看出，單冪次趨近律可保證有限時間到達，但存在趨近時間長、趨近速度小的問題。為改善單冪次趨近律的缺點，進一步削弱抖振，提出了一種改進型雙冪次趨近律：
αsats（）增加了系統接近滑模面（s<1）時的速度。α越小，則s<1時的收斂速度就越大。因此，適當減小α的值，可以增大s<1時的收斂速度。另外，通過式（3）可以知道，當s=0的時候，s=0。所以，在系統到達滑模面時，速度減小為零，與滑模面實現了光滑過渡，大大削弱了系統的抖振，克服了指數趨近律的缺陷。同時適當增加ε1，ε2的值，也能夠提高系統的收斂速度。
式（3）中的前2項，相當于對系統采用了分階段控制，從而使系統在分界點不能平滑過渡，影響了系統的動態品質。為克服這一缺陷，增加第三項-ks來緩解系統在分界點的不連續性，并使系統抖振以指數的形式衰減，從而削弱系統的抖振，保證系統的穩定性。
3系統動態品質分析
由圖2～3可以看出，采用單冪次趨近律和改進雙冪次趨近律，系統均能到達滑模面，穩定于原點附近的一等幅區域。從圖2可知，采用單冪次趨近律，系統到達滑模面時間為t=0.0029s，到達滑模面時抖振較大，衰減速度緩慢；從圖3可知，采用改進雙冪次趨近律，系統到達滑模面時間為t=0.0021s，到達滑模面時抖振較小，衰減速度較快。圖4～5進一步驗證了以上結論的正確性。
5結論
本文所提出的改進型雙冪次趨近律，能夠縮短系統的到達時間，減少到達滑模面時的抖振，加快衰減速度，能夠較好地改善Buck變換器的動態品質，對航空工程實際有一定的借鑒意義。
