车载DC/DC变换器的建模及非线性控制研究

论文摘要

DC/DC变换器本身是一种时变非线性系统,其稳定性分析和控制器的设计方法主要是在状态空间平均法的基础上建立小信号模型进行分析。而由于车载DC/DC变换器的工作环境较差,输入电压及负载都会伴有大范围的扰动,以小信号模型为基础分析得出的控制规律并不能保证车载DC/DC变换器在大扰动下工作的可靠性。因此,有必要建立更精确的DC/DC变换器非线性模型,研究更有效抑制大信号扰动的控制方法,从而对DC/DC变换器的高性能控制器的设计提供重要的理论依据。首先,鉴于车载电源所用DC/DC变换器是降压型直流变换器,本文分析介绍了Buck变换器及全桥变换器的电路拓扑、基本工作原理和建模方法。其次,针对输入电压扰动和负载电阻的大信号扰动,本文通过Buck变换器的状态空间方程,应用Lyapunov直接法对其闭环控制进行建模分析,得到了新的开关控制策略,并在PLECS中用此控制方法对Buck型变换器进行仿真分析。结果表明该控制策略能够有效的抑制大信号扰动,满足大信号扰动下系统稳定工作。最后,在进行了Buck电路大信号稳定性分析的基础上,本文应用Lyapunov直接法对全桥电路进行了建模分析,得到全桥型变换器的开关控制策略,并在PLECS中应用该控制策略对移相全桥电路进行仿真分析。结果表明该控制策略能够使全桥电路在大信号扰动下稳定工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 混合动力汽车的发展现状
• 1.1.2 车载DC/DC变换器的特点
• 1.1.3 研究车载DC/DC变换器的意义
• 1.2 DC/DC变换器的建模方法及发展
• 1.3 国内外对DC/DC变换器非线性控制方法的研究现状
• 1.3.1 反馈线性化
• 1.3.2 滑模变结构控制
• 1.3.3 模糊控制
• 1.3.4 神经网络控制
• 1.3.5 单周控制
• 1.3.6 应用Lyapunov稳定性理论设计的控制策略
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 Buck DC/DC变换器的工作原理及建模分析
• 2.1 Buck DC/DC变换器的电路组成和控制方式
• 2.1.1 CCM模式下Buck转换器的工作原理
• 2.1.2 DCM模式下Buck转换器的工作原理
• 2.2 Buck DC/DC变换器的瞬态建模与分析
• 2.2.1 DC/DC变换器的瞬态特性
• 2.2.2 状态平均的概念
• 2.2.3 Buck DC/DC变换器状态空间模型的建立
• 2.2.4 Buck DC/DC变换器小信号的建模分析
• 3 零电压移相全桥型DC/DC变换器的工作方式及建模分析
• 3.1 软开关技术
• 3.1.1 硬开关与软开关
• 3.1.2 零电压开关与零电流开关
• 3.2 全桥式逆变器的控制方式
• 3.2.1 双极性控制方式
• 3.2.2 有限双极性控制方式
• 3.2.3 移相控制方式
• 3.3 移相全桥式DC/DC变换器的小信号建模分析
• 3.3.1 移相控制ZVS DC/DC全桥变换器的电路拓扑及工作方式
• 3.3.2 移相控制ZVS DC/DC全桥变换器的建模分析
• 3.3.3 实现ZVS的条件
• 4 基于非线性控制方法的Buck DC/DC变换器及移相全桥DC/DC变换器的控制策略的研究
• 4.1 PLECS仿真平台概述
• 4.1.1 PLECS简介
• 4.1.2 PLECS与Pspice和Simulink的比较
• 4.2 基于Backstepping法的Buck变换器控制器的设计
• 4.3 基于Lyapunov直接法的Buck变换器双线性系统建模及控制方法
• 4.3.1 双线性系统的概念和DC/DC变换器的双线性系统建模方法
• 4.3.2 基于Lyapunov直接法构造V函数以及求控制规律
• 4.3.3 Buck变换器基于Lyapunov直接法的控制规律的设计
• 4.3.4 Buck变换器基于Lyapunov直接法得出控制规律的仿真结果
• 4.4 全桥DC/DC开关变换器的非线性控制建模与控制策略的研究
• 4.4.1 基于Lyapunov直接法的全桥DC/DC变换器的控制策略研究
• 4.4.2 基于Lyapunov直接法的全桥DC/DC变换器的控制策略的仿真
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢