平面磁集成电压调整模块建模方法及磁耦合微分几何解耦控制

论文摘要

平面磁集成电压调整模块是一种特殊的磁耦合、时变、开关非线性电力电子变换器。由于耦合磁集成技术的引入,变换器建模、特性分析和控制器设计一直都是电压调整模块研究的重点和难点。因而将新的建模分析方法和现代控制理论引入到平面磁集成电压调整模块中,研究高功率密度、高性能的平面磁集成电压调整模块将具有重要的理论价值和实际意义。本文的研究思路包括以下三个方面:一是研究磁性器件本身集成的建模问题,以优化平面磁集成设计;二是研究平面磁集成电压调整模块整体电路建模问题,以分析它的工作特性;三是研究磁集成磁路耦合问题,以通过微分几何非线性控制方法实现多相磁路的解耦控制,提高平面磁集成电压调整模块稳态和动态特性。本文具体研究内容如下:（1）分析了多相磁集成阻抗等效模型、对偶模型和回转器类比模型建模方法的理论依据和特点,利用磁路-电路对偶模型和回转器-电容类比模型建立了两相磁集成模型,研究了两相正向耦合和反向耦合磁集成直流偏磁和交流磁通分布特点,由两相磁集成模型推导出通用的多相磁集成模型,为优化磁集成设计和计算方法提供了理论和技术基础。（2）针对平面磁集成电压调整模块的电路特点,利用磁集成阻抗等效模型对非隔离式两相平面磁集成电压调整模块进行特性分析,提供了反向耦合磁集成优化变换器工作特性的理论依据。采用脉冲波形积分法对两相、多相不含寄生参数和含寄生参数的平面磁集成电压调整模块进行电路建模,从而得到适合于非线性控制的仿射非线性模型。同时对隔离式平面磁集成电压调整模块进行分析,探讨了磁集成结构的演变过程,指出非隔离式平面磁集成电压调整模块的磁路分析和建模方法同样可以应用到隔离式平面磁集成电压调整模块的设计中。（3）在平面磁集成电压调整模块仿射非线性模型基础上,经过非线性坐标变换,实现了模型的状态反馈精确线性化,由此引入了无限时间输出调节器的二次型最优控制设计方法,提出了平面磁集成电压调整模块磁耦合状态反馈精确线性化解耦控制策略,实现了电压调整模块高性能的动态均流控制和输出电压跟踪控制。文中以两相平面磁集成电压调整模块为对象进行分析和研究,但研究方法可以推广到其他多相平面磁集成电压调整模块中。（4）在理论研究基础上,进行了集成磁性器件的设计、仿真和实验,同时对两相电压调整模块和两相平面磁集成电压调整模块进行了微分几何非线性解耦控制的样机实验。实验表明,反向耦合磁集成极大地改善电压调整模块稳态特性,微分几何非线性解耦控制比现有的PID控制有更好的动态响应均流特性,较好地实现磁耦合的解耦控制,实验研究证明了论文理论研究的正确性。课题的研究成果将对电压调整模块特性分析、建模理论和控制技术的发展起到积极地推动作用,具有较好的应用前景和实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 平面磁集成 VRM 的发展现状
• 1.3 平面磁集成 VRM 建模方法
• 1.3.1 平均法
• 1.3.2 统一建模方法
• 1.4 VRM 的控制方法评述
• 1.4.1 PID 控制
• 1.4.2 最优控制
• ∞鲁棒控制'>1.4.3 H_∞鲁棒控制
• 1.4.4 自适应控制
• 1.4.5 滑模变结构控制
• 1.4.6 微分几何非线性控制
• 1.5 课题研究的意义及创新点
• 1.6 本文主要内容安排
• 1.7 课题来源
• 1.8 本章小结
• 第二章 多相磁集成的阻抗等效模型、对偶模型和回转器类比模型
• 2.1 引言
• 2.2 磁件电路建模方法
• 2.2.1 阻抗等效模型
• 2.2.2 磁路－电路对偶模型
• 2.2.3 回转器－电容类比模型
• 2.3 两相平面磁集成电路等效模型及磁通分布
• 2.3.1 两相平面磁集成模型
• 2.3.2 两相平面磁集成磁通分布
• 2.4 多相平面磁集成电路等效模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 平面磁集成电压调整模块特性分析与建模
• 3.1 引言
• 3.2 非隔离式 VRM 特性分析
• 3.2.1 单相VRM 特性分析
• 3.2.2 两相VRM 特性分析
• 3.2.3 多相VRM 的特点
• 3.2.4 多相VRM 的问题总结
• 3.3 非隔离式平面磁集成VRM 特性分析
• 3.4 非隔离式平面磁集成VRM 的模型
• 3.4.1 开关脉冲波形
• 3.4.2 两相VRM 的电路建模
• 3.4.3 两相平面磁集成VRM 的电路建模
• 3.4.4 多相平面磁集成VRM 的电路建模
• 3.5 含寄生参数的平面磁集成VRM 的模型
• 3.5.1 含寄生参数的两相VRM 的电路建模
• 3.5.2 含寄生参数的平面磁集成VRM 的电路建模
• 3.6 隔离式平面磁集成VRM 特性分析
• 3.6.1 隔离式VRM 输入级拓扑特性分析
• 3.6.2 隔离式VRM 输出级拓扑特性分析
• 3.6.3 隔离式平面磁集成VRM 特性分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 平面磁集成电压调整模块磁耦合微分几何解耦控制
• 4.1 引言
• 4.2 微分几何基础
• 4.2.1 微分拓扑的基本概念
• 4.2.2 向量场、李导数和李括号
• 4.2.3 分布、对合分布和协分布
• 4.2.4 伏柔贝历斯（Frobenius）定理
• 4.3 仿射非线性系统及其坐标变换
• 4.4 单输入单输出仿射非线性系统精确线性化方法
• 4.4.1 单输入单输出系统的相对阶
• 4.4.2 相对阶r 等于系统维数n 的SISO 系统精确线性化设计
• 4.4.3 相对阶r 小于系统维数n 的SISO 系统精确线性化设计
• 4.5 多输入多输出仿射非线性系统精确线性化方法
• 4.5.1 多输入多输出系统的相对阶
• 4.5.2 多输入多输出系统的精确线性化设计
• 4.6 两相VRM 的动态均流非线性控制
• 4.6.1 两相VRM 状态反馈精确线性化条件验证
• 4.6.2 两相VRM 仿射非线性第一标准型及控制规律的求解
• 4.6.3 两相动态均流特性的线性二次型的最优控制
• 4.7 两相平面磁集成 VRM 的磁耦合非线性解耦控制
• 4.7.1 两相平面磁集成VRM 状态反馈精确线性化条件验证
• 4.7.2 两相平面磁集成VRM 解耦控制算法
• 4.8 本章小结
• 第五章 平面磁集成电压调整模块设计及性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 磁集成的设计方法
• 5.3 平面磁集成 VRM 的仿真实验
• 5.3.1 稳态特性仿真结果
• 5.3.2 动态特性仿真结果
• 5.4 平面磁集成 VRM 的样机实验
• 5.4.1 微分几何解耦控制的软件实现
• 5.4.2 稳态特性实验结果
• 5.4.3 动态特性实验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 1. 论文所做的主要工作
• 2. 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和撰写的论文
• 致谢