王必榮,郭興眾,黃宜慶,王 碩

(安徽工程大學安徽省檢測技術與節(jié)能裝置重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

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半功率DCDC變換器自適應反演滑模控制器設計

王必榮,郭興眾?,黃宜慶,王 碩

(安徽工程大學安徽省檢測技術與節(jié)能裝置重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

摘要:針對純電動汽車大功率電壓變換需求,提出一種半功率DCDC變換器．根據(jù)現(xiàn)有知識建立模型,設計自適應反演滑?？刂破?推導出控制器穩(wěn)定條件．最后,利用對比仿真驗證控制器的有效性與可行性．

關 鍵 詞:DCDC變換器,自適應反演滑模,Simulink

DCDC變換器是純電動汽車中重要的能量轉(zhuǎn)換器件,性能好壞直接影響到電動汽車運行狀況．傳統(tǒng)DCDC變換器在負載側(cè)只有一個支撐電容時,電容電壓變化過大可能會擊穿,因此對電容要求比較高．國內(nèi)外學者對此類DCDC變換器做了大量研究,并取得了一定成果．文獻[1]設計了魯棒非線性控制器,對模型中各個參數(shù)均做了穩(wěn)定性分析,但是波形抖動都比較大．文獻[2]針對DCDC變換器設計控制器利用自適應滑模控制方法,詳細分析了在負載變化與不變時兩種情況的設計過程,但是控制器穩(wěn)定性較差．文獻[3]介紹了一種反演(backstepping)控制器設計過程,設計過于繁瑣．文獻[4]闡述了自適應滑?？刂?觀測對象是DCDC中多個參數(shù),由于選擇觀測對象太多,仿真控制效果較差．文獻[5]提出了一種新型DCDC變換器,且具有任意升降壓功能,但在負載變化和電源電壓變換時輸出電壓超調(diào)太大．文獻[6]提出了一種新型的DCDC變換器的建模方法,但是忽略了器件內(nèi)部的物理特征,直觀性不強．

針對傳統(tǒng)DCDC變換器中對電容電壓要求過高的缺陷,設計一種半功率升壓DCDC變換器．在此基礎上,提出了一種自適應反演滑模控制器．該變換器能夠克服DCDC變換中對電容電壓要求過高的缺陷,能夠更加有效地實現(xiàn)對負載實時跟蹤．最后,通過搭建Simulink仿真平臺驗證了方法的可行性和有效性．

1 DCDC變換器自適應反演滑?？刂?/h2>

半功率DCDC變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示．

半功率DCDC變換器狀態(tài)空間平均模型[7]如式(1)所示:

控制器模型設計如下:設計自適應參數(shù),令1/R＝θ,定義θ估計值為,θ與之間估計誤差定義為．得到＝θ－;Id＝

圖1 DCDC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

控制器為

式中,C1、C2、k、η均為正值．

第一步:定義輸入誤差z1;

對z1求導

是一個可變且不能控輸入．因此用α代替x2L

第二步:定義滑模面s;

由式(5)、式(7)、式(8)可得

c2是設計參數(shù)大于0;k是設計參數(shù)大于0．

參數(shù)c1、c2、k均為正值,李雅普諾夫函數(shù)V＝0．5 z21＋s2＋~θ2/η ()為正定,?V≤0為負定,可證明系統(tǒng)全局穩(wěn)定．

2 仿真驗證

為了驗證控制器有效性,通過搭建Simulink仿真模型對DCDC變換器(見圖1)仿真．仿真參數(shù)如下:參考電壓Vd＝30 V,電源電壓E＝15 V,L＝20 m H,C＝68 u F,c1＝110,c2＝1 000,η＝10－7．由電容C2直接跟電源相連接可知,C2電壓始終保持不變,C1電壓變化．在0．1 s時,負載由30Ω變?yōu)?5Ω．控制系統(tǒng)框圖如圖2所示．

圖2 控制系統(tǒng)框圖

電壓電流雙閉環(huán)PID控制與自適應反演滑?？刂品抡鎸Ρ热鐖D3所示．由圖3可知,PID控制在啟動階段會有明顯的沖擊電壓和沖擊電流,當負載發(fā)生變化時,電壓電流均有明顯波動,這對于電力電子器件具有很大危害．由仿真對比可知,自適應反演滑模控制輸出波形沒有明顯沖擊,過度很平滑．

圖3 負載輸出電壓,電容C1電壓、電感電流、及控制信號u仿真對比曲線

負載R參數(shù)估計曲線如圖4所示．由圖4可知,觀測器在短時間內(nèi)可以跟蹤到負載變化．當負載突變時,所有參數(shù)均有輕微波動,短時間內(nèi)趨于平穩(wěn),說明系統(tǒng)具有較強穩(wěn)定性．由對比可知,自適應反演滑?？刂剖强尚屑昂陀行У模?/p>

圖4 負載R參數(shù)估計曲線

3 結(jié)論

設計了一種半功率升壓DCDC變換器,在此基礎上,以電感電流為控制對象設計了一種自適應反演滑?？刂破鳎ㄟ^仿真實驗可以看出,系統(tǒng)在短時間內(nèi)可以達到穩(wěn)定狀態(tài),并且當負載發(fā)生變化時,觀測器能較快跟蹤到負載變化．因此,設計的控制器較傳統(tǒng)控制器具有一定的優(yōu)越性．

參考文獻:

[1] H E Fadil,F Giri．Robust and nonlinear control of PWM DC-to-DC boost power convert-ers[C]//Proceedings of Power Electronics Specialists Conference,Orlando:IEEE Xplore Digital L-ibrary,2007:407-412．

[2] H E Fadil,F Giri．Adaptive sliding mode control of PWM boost DC-DC converters[C]//Pr-oceedings of IEEE International Conference on Control Applications,Munich:IEEE Xplore Digital Library,2006:3 151-3 156．

[3] 王莉,王慶林．Backstepping設計方法及應用[J]．自動化博覽,2004,21(6):57-61．

[4] Said Oucheriah,L P Guo．PWM-based adaptive sliding-mode control for boost DC-DC con-verters[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,6(60):3 291-3 294．

[5] 吳苓芝,丁新平,魏文健,等．一種新型升降壓DC/DC變換器的建模與控制[J]．電氣自動化,2015,37(12):5-7,11．

[6] 杜韋靜,張軍明,張陽,等．一種新型研究Boost電路大信號穩(wěn)定性的模型[J]．電工技術學報,2013,28(3):188-194．

[7] 徐德鴻．電力電子系統(tǒng)建模及控制[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2007．

[8] Laurent Karsenti,Hebertt Sira-Ramirez,Francoise Lamnabhi-Lagarrigue．Adaptive backstepping PW-M stabilization of DC-to-DC converters towards minimum or non-minimum phase equilibria[C]//Pro-ceedings of the 34th IEEE Conference on Decision and Control,New Orleans:IEEE Xplore Digital Library,1995:1 591-1 596．

Half-power DCDC converter adaptive backstepping sliding mode controller design

WANG Bi-rong,GUO Xing-zhong?,HUANG Yi-qing,WANG Shuo
(Anhui Key Laboratory of Detetion Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:A half-power DCDC converter was presented to meet the requirements of high-power voltage conversion．Firstly,modeling was set up based on existing knowledge．An adaptive backstepping sliding mode control was proposed on that model and the controller stable conditions were deduced．Finally,the effectiveness and feasibility of the controller were verified by contrast simulation．

Key words:DCDC converter;adaptive backstepping sliding mode;Simulink

中圖分類號:TP17

文獻標識碼:A

收稿日期:2015-05-12

基金項目:安徽省蕪湖市科技計劃重點項目(2014CXY06)

作者簡介:王必榮(1990-),男,安徽合肥人,碩士研究生．

通訊作者:郭興眾(1962-),男,安徽阜陽人,教授,碩導．