电流断续状态下Boost变换器数字优化控制

论文摘要

随着电子技术的高速发展,电子设备的种类越来越多。任何电子设备都离不开可靠的电源。以DC/DC变换器为转换核心的开关电源已经深入应用到各个领域,存在大信号扰动的场合对电源的输出波形提出了苛刻的要求,因此研究大信号扰动条件下的DC/DC开关变换器控制方案一直是电力电子领域的研究热点问题。DC/DC变换器有两种工作模式,即电感电流连续工作模式(CCM)和电感电流断续工作模式(DCM)。然而长期以来对于DC/DC变换器的控制策略研究大多停留在电感电流连续状态下,当电感电流断续时,很少有文献对其控制策略进行研究。本文以DC/DC Boost变换器为例,为了得到升压变换器(Boost变换器)在电感电流断续状态下的数字控制策略,本文提出了一种基于简化模型的数字优化控制方法。利用状态转移矩阵建立变换器的离散模型,通过将幂指数函数线性化处理,得到其简化的离散模型；基于简化模型设计优化控制的目标函数,求取最优化控制量。将优化控制量直接作用于简化模型,递推出模型的输出电压,由模型输出电压与实际系统输出电压的偏差来修正控制量,采用PI控制器调节控制修正量,修正后的占空比作用于实际系统。文中对输出电压的控制思想为最小化输出电压与期望电压的偏差。仿真结果验证了控制策略能在启动过程中实现对变换器输出电压的快速、无过冲控制及各种大信号扰动下对变换器输出电压准确、快速的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 开关电源发展趋势及基本构成
• 1.1.2 PWM DC/DC开关转换器的工作模式及控制方法概述
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 本文的工作要点及结构安排
• 2 PWM DC/DC变换器简介
• 2.1 概述
• 2.1.1 PWM DC/DC变换器的定义
• 2.1.2 PWM DC/DC变换器的升降压
• 2.1.3 PWM DC/DC变换器的组成
• 2.2 BOOST升压式PWM DC/DC变换器
• 2.2.1 主电路组成及工作原理
• 2.2.2 电感电流连续时Boost DC/DC变换器的工作模式与基本关系
• 2.2.3 电感电流断续时Boost DC/DC变换器的工作模式与基本关系
• 2.2.4 Boost DC/DC变换器电感电流连续与不连续的边界
• 2.3 小结
• 3 PWM DC/DC变换器的建模方法
• 3.1 PWM DC/DC变换器建模方法概述
• 3.2 开关电源仿真方法概述
• 3.2.1 小信号分析
• 3.2.2 离散时域仿真方法
• 3.2.3 等效电路法
• 3.2.4 Laplace变换法
• 3.2.5 周期时间序列分析
• 3.3 BOOST变换器的统一离散建模
• 3.3.1 Boost变换器统一离散模型的建立
• 3.3.2 模型参数的计算
• 3.3.3 Boost变换器统一离散模型仿真结果及其分析
• 3.4 小结
• 4 PWM DC/DC变换器的控制方法
• 4.1 PWM DC/DC变换器控制方法概述
• 4.2 PWM DC/DC变换器的主要控制方法
• 4.2.1 PWM控制器
• 4.2.2 数字控制
• 4.3 最优控制方法
• 4.3.1 末端状态受约束限制时的极小值原理
• 4.3.2 末端状态自由时的极小值原理
• 4.3.3 时间最优控制
• 4.4 控制方法的选择
• 4.5 小结
• 5 PWM DC/DC BOOST变换器控制器设计及其仿真
• 5.1 CCM时基于简化模型的BOOST变换器自适应数字优化控制
• 5.1.1 基本原理
• 5.1.2 Boost变换器CCM的简化模型
• 5.1.3 控制策略的实现
• 5.2 DCM情况下BOOST变换器的控制算法设计
• 5.2.1 方案一:稳态占空比+输出电压PID调节
• 5.2.2 方案二:DCM时基于简化模型的Boost变换器自适应数字优化控制
• 5.3 仿真与分析
• 5.3.1 仿真参数选取
• 5.3.2 瞬态过程设计
• 5.3.3 仿真结果
• 5.3.4 控制方法分析
• 5.4 小结
• 6 课题总结
• 致谢
• 参考文献