基于无源性控制的开关电源控制策略研究

论文摘要

开关电源是通过控制功率开关管开通和关断的时间比率来得到不同输出电压、并维持其输出稳定的电力电子变换装置,是一个强非线性、时变、离散系统。为了使开关电源不仅具有体积小、成本低的特点,而且能达到满意的静态和动态性能,采用先进的控制策略至关重要。DC/DC开关电源传统的控制方式多采用PID控制。PID控制属于线性控制策略,虽然具有易调整、实现方便的优点,但也存在动态响应慢、超调量大的不足,系统鲁棒性较差。要提高开关电源性能,有必要研究非线性的控制方法在本质非线性DC/DC开关电源中的应用。与常规PID控制方法相比,非线性中的无源性控制是一种基于能量观点的全局定义、全局稳定的控制策略。其基本思想是在控制器的设计中,通过注入阻尼项,迫使系统总能量跟踪预期的能量函数,使得闭环系统是无源的,系统输出误差渐近稳定到零点,系统状态及输出变量逐渐收敛到期望值。较之于其它非线性控制方法,其设计过程简单且易于实现,动态性能得到了明显改进。在状态空间平均模型基础上,设计了开关电源无源控制器,并运用Matlab软件进行了仿真。仿真分析表明,无源性控制下的开关电源输出电压无超调,且响应速度快,稳态纹波小。系统对于小范围扰动无问题,但对于超过输入电压或负载阻抗10%的大范围扰动,系统稳态不宜达到期望输出,静态特性不好。针对此问题,本文又提出将无源性控制与PI控制相结合的控制策略,仿真结果显示,此控制策略提高了开关电源系统对于输入电压扰动和负载扰动的抗扰能力。为了验证无源性控制控制策略应用到开关电源中的可行性,又制作了Buck-Boost开关电源样机。实验结果表明,此控制方法可以使输出电压较快地达到稳定值,在输入电压扰动时输出电压也能快速回到期望值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 DC/DC开关电源控制技术发展概况
• 1.3 DC/DC开关电源常用控制策略
• 1.3.1 常用线性控制策略介绍
• 1.3.2 常用非线性控制策略介绍
• 1.3.3 DC/DC开关电源无源性控制策略及其发展概况
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第二章 Buck-Boost开关电源系统建模及特性分析
• 2.1 Buck-Boost开关电源工作原理
• 2.1.1 电感电压稳态伏秒定律
• 2.1.2 Buck-Boost开关电源工作原理及稳态关系
• 2.1.3 Buck-Boost开关电源小信号特性
• 2.2 Buck-Boost开关电源系统建模
• 2.2.1 基于状态空间平均法的Buck-Boost开关电源系统模型
• 2.2.2 Buck-Boost开关电源状态方程
• 2.3 Buck-Boost开关电源内部特性分析
• 2.3.1 非线性系统及其Buck-Boost开关电源状态空间平均模型
• 2.3.2 Buck-Boost开关电源的相对阶
• 2.3.3 Buck-Boost开关电源内部特性分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 无源性控制及其在Buck-Boost开关电源中的应用
• 3.1 无源性及其无源性控制方法
• 3.1.1 无源性基本概念
• 3.1.2 开关电源系统的无源性
• 3.2 无源性控制方法及在Buck-Boost开关电源中的应用
• 3.2.1 Buck-Boost开关电源系统的无源性
• 3.2.2 Buck-Boost开关电源无源化控制器的设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 Buck-Boost开关电源系统设计
• 4.1 Buck-Boost开关电源系统设计参数确定
• 4.2 系统主电路设计
• 4.2.1 主电路功率管及二极管选择
• 4.2.2 功率管缓冲电路设计
• 4.2.3 输出电容器、电感器参数计算及设计
• 4.3 系统控制电路设计
• 4.3.1 输入、输出电压检测电路设计
• 4.3.2 电流检测电路设计
• 4.3.3 驱动电路及过压保护电路设计
• 4.4 系统软件实现
• 4.4.1 主程序流程
• 4.4.2 STC12C5A60S2单片机简介
• 4.4.3 STC12C5A60S2单片机PWM脉冲生成方法
• 4.4.4 电压检测功能实现
• 4.4.5 电流检测功能实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 Buck-Boost开关电源仿真分析及实验结果分析
• 5.1 Buck-Boost开关电源仿真分析
• 5.1.1 Buck-Boost开关电源无源性控制仿真及分析
• 5.1.2 无源性控制与PI控制相结合的仿真分析
• 5.2 实验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 附录A 开关电源样机实物图
• 附录B 开关电源电路原理图
• 附录C 开关电源单片机程序