房俊龍,靳惠雅,佟殿馨,和雪迪,楊敬然,劉鵬,張環(huán)宇
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院,哈爾濱150030)
外加驅(qū)動控制法在Buck變換器非線性現(xiàn)象控制中應(yīng)用
房俊龍,靳惠雅,佟殿馨,和雪迪,楊敬然,劉鵬,張環(huán)宇
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院,哈爾濱150030)
針對電壓模式控制Buck變換器運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)分岔和混沌等非線性現(xiàn)象問題,結(jié)合Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及其精確狀態(tài)方程模型,運(yùn)用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型并加驅(qū)動控制信號,通過控制信號幅值及相位調(diào)節(jié),使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)非線性控制結(jié)果。仿真結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)電路參數(shù)變化時(shí),采用外加驅(qū)動控制法可有效抑制系統(tǒng)中非線性現(xiàn)象,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,通過搭建電壓模式控制Buck變換器實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證該方法對控制非線性現(xiàn)象具有可行性。
Buck變換器;仿真;外加驅(qū)動控制;非線性現(xiàn)象
DC-DC Buck變換器是典型非線性系統(tǒng),具有響應(yīng)快速、節(jié)能及抑制電網(wǎng)諧波電流等優(yōu)點(diǎn),在電控設(shè)備中應(yīng)用廣泛。由于變換器實(shí)際操作過程中經(jīng)常出現(xiàn)不明噪聲、電磁干擾、次諧波振蕩等不規(guī)則現(xiàn)象,DC-DC變換器易發(fā)生非線性動力行為,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行紊亂、工作性能惡化等[1]。近年來,Buck變換器非線性系統(tǒng)中分岔與混沌現(xiàn)象成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。
目前,學(xué)者提出多種抑制非線性現(xiàn)象控制方法,如OGY方法[2]、延遲反饋控制方法[3]、自適應(yīng)控制方法[4]、非線性控制方法[5]等??捎行Э刂谱儞Q器非線性現(xiàn)象,但延遲反饋控制法由于參數(shù)選擇受限,調(diào)整時(shí)間較長,控制效果不理想;PID非線性控制方法,對輸入信號不超過斜波補(bǔ)償情況簡單實(shí)用,但對復(fù)雜非線性系統(tǒng)和復(fù)雜信號追蹤存在局限性[6]。復(fù)雜情況使用以上方法需一個(gè)已知周期目標(biāo)軌道,難以控制到預(yù)知軌道上,效果不佳。多數(shù)研究停留在理論分析和仿真層面,DC-DC變換器分岔和混沌現(xiàn)象實(shí)際控制和應(yīng)用受限。
本文以電壓模式控制Buck變換器為例,對其變換器在Matlab/Simulink中仿真研究[7],在該模型基礎(chǔ)上外加一個(gè)驅(qū)動信號作為控制信號,易產(chǎn)生周期信號,使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。該模型可精確調(diào)整參數(shù),對系統(tǒng)操作穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義[8]。搭建電壓模式控制Buck變換器實(shí)驗(yàn)平臺并對比分析試驗(yàn)仿真結(jié)果,為設(shè)計(jì)Buck變換器電路提供理論基礎(chǔ)。
1.1 Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及其狀態(tài)方程
電壓模式控制Buck變換器是以電壓為控制對象DC-DC變換器,基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。這是一種典型脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)[9]。圖1(a)中G為開關(guān)器件;D為續(xù)流二極管;iL為電感L上流過電流;V0為輸出電壓(即電容電壓VC),Vref為參考電壓,在電壓模式控制下,輸出電壓V0與參考電壓Vref誤差經(jīng)放大器得到控制電壓:
將這個(gè)控制電壓信號與鋸齒波信號比較,鋸齒波信號Vramp定義為:
比較器輸出用來控制開關(guān)脈寬調(diào)制信號u,控制開關(guān)G,即
當(dāng)u=1時(shí),開關(guān)G導(dǎo)通,則二極管D截止,輸入電源E與電感L及RC輸出部分串聯(lián),電感電流呈近乎線性上升;當(dāng)u=0時(shí),開關(guān)截止,則二極管D導(dǎo)通,電感電流通過二極管和負(fù)載呈近乎線性下降,控制波形如圖1(b)所示。根據(jù)控制電壓與鋸齒波電壓比較產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號驅(qū)動開關(guān)G導(dǎo)通和截止。DC-DC變換器可分為兩種工作模式:電流連續(xù)模式(在開關(guān)周期內(nèi)電感電流iL>0)和電流不連續(xù)模式(在開關(guān)周期內(nèi)電感電流iL<0)。本文僅分析Buck變換器工作于電流連續(xù)模式下情況[10],根據(jù)KCL和KVL定律及變換器工作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),變換器狀態(tài)方程如公式(4)所示:
其中設(shè)X為狀態(tài)變量,X=[VC,iL]T,A和B是系數(shù)矩陣:
根據(jù)方程可以得到包含控制信號u統(tǒng)一方程如公式(5)所示:
圖1 電壓模式控制Buck變換器Fig.1Voltage mode controlled Buck converter
1.2 電壓模式Buck變換器離散迭代映射模型
由非齊次狀態(tài)方程求解過程可見,在建立變換器閉環(huán)離散時(shí)間映射時(shí),根據(jù)不同采樣方式,分為頻閃、同步切換、異步切換映射等。其中頻閃映射在DC-DC變換器中是應(yīng)用最為廣泛閉環(huán)離散迭代映射[11]。頻閃映射通過每個(gè)鋸齒波周期開始時(shí)刻對變換器狀態(tài)變量一次數(shù)據(jù)采樣,利用數(shù)建立變換器數(shù)學(xué)模型。先確定初值,以該初值作為變量求解下一個(gè)周期解,反復(fù)迭代過程,最終得到符合要求精確解。因此DC-DC變換器動態(tài)情況實(shí)際是Xn和Xn+1間關(guān)系式:
其中Δt1=t1-tn為模態(tài)S1工作時(shí)間,Δt2=tn+1-t1= T-Δt1為模態(tài)S2工作時(shí)間。在研究Buck變換器系統(tǒng)時(shí),通常將導(dǎo)通與關(guān)斷視為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),分析動力學(xué)特性及穩(wěn)定性。當(dāng)Buck變換器工作在關(guān)斷狀態(tài)時(shí),狀態(tài)軌跡在平衡點(diǎn)附近,如果某一時(shí)刻控制電壓小于斜坡電壓,則開關(guān)動作電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,Buck變換器轉(zhuǎn)化至導(dǎo)通狀態(tài)工作,當(dāng)出現(xiàn)跳躍周期時(shí),兩個(gè)工作時(shí)間一個(gè)為鋸齒波周期,另一個(gè)為0。當(dāng)系統(tǒng)某一參數(shù)發(fā)生變化時(shí),不穩(wěn)定周期系統(tǒng)將會分岔至更高周期狀態(tài),以此類推,隨著周期分岔變化,系統(tǒng)將由一系列周期軌道分岔直至混沌狀態(tài),尋找適合此類電路特點(diǎn)混沌控制方法。
2.1 仿真模型建立
根據(jù)公式(5)和圖1(a)所示PWM控制方式建立電壓控制型Buck變換器仿真模型如圖2所示,選取電路參數(shù)為:E=23 V,L1=20 mH,R=22 Ω,C= 47 μF,A=8.4,Vref=11.3 V,VL=3.8 V,VU=8.2 V,T= 0.4 ms。對電壓模式Buck變換器數(shù)值計(jì)算求解,并在Matlab軟件中Simulink環(huán)境下構(gòu)造分段光滑開關(guān)模型,采用龍格-庫塔算法仿真,得到電壓模式Buck變換器中電感電流和輸出電壓,控制電壓信號和鋸齒波信號從穩(wěn)定、分岔到混沌變化時(shí)域分析,根據(jù)公式(7)電壓模式Buck變換器精確離散迭代映射模型,在Matlab中M文件編寫仿真程序得到該變換器電感電流和輸出電壓離散值。
圖2 電壓控制型Buck變換器仿真模型Fig.2Simulation model of voltage controlled Buck converter
2.2 仿真結(jié)果與分析
在Buck變換器中,主要考慮以參考電壓Vref為變化量,觀察輸出電壓、電流分岔與混沌相圖和時(shí)域波形、控制信號與鋸齒波信號時(shí)域波形,如圖3、4、5所示。
由仿真可知電壓模式Buck變換器隨參考電壓Vref逐漸減小,相圖中“洞”發(fā)生變化,洞口被倍周期分岔、混沌吸引子等規(guī)律填充。由圖3可見,輸出電壓和電流相圖由穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)2倍周期分岔到紊亂混沌狀態(tài)過程。當(dāng)參考電壓Vref=6 V時(shí),系統(tǒng)發(fā)生首次倍周期分岔,出現(xiàn)2分裂極限環(huán)如圖3(b)所示,比較圖3(b)和圖3(c)可知:參考電壓Vref=4.5 V時(shí),出現(xiàn)四分裂極限環(huán),即四倍周期分岔。當(dāng)參考電壓Vref=3 V時(shí),電路經(jīng)歷系列分岔,發(fā)生激變進(jìn)入不穩(wěn)定混沌狀態(tài)吸引子越來越大,圖3(d)所反映即吸引子尺寸增大相圖[12]。
由圖4可見,輸出電壓電流隨參考電壓不斷減小而紊亂,進(jìn)入混沌狀態(tài),成為類似隨機(jī)過程;控制信號和鋸齒波信號相交不具規(guī)律性,如圖5(d)所示,在某些周期內(nèi)控制信號和鋸齒波信號無交點(diǎn),出現(xiàn)周期跳躍。輸出電流和電壓在Vref=3 V時(shí)通過離散迭代映射取得離散值見圖6,每一個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)多個(gè)電壓電流值,變換器工作紊亂,系統(tǒng)產(chǎn)生非線性現(xiàn)象。
圖3 Buck變換器電流-電壓相Fig.3Current voltage phase of Buck converter
圖4 Buck變換器輸出電壓與電流時(shí)域Fig.4Output voltage and current time domain of Buck converter
圖5 控制信號與鋸齒波信號Fig.5Control signal and the sawtooth wave signal
圖6 輸出電壓與電流在混沌時(shí)離散值Fig.6Discrete values of output voltage and current in chaos
3.1 外加驅(qū)動控制法原理
外加驅(qū)動控制法是一種非反饋混沌控制方法,其控制機(jī)理是施加外部驅(qū)動控制信號后,系統(tǒng)從自身無限多不穩(wěn)定極限環(huán)中找到與某個(gè)外加驅(qū)動信號共振極限環(huán),使系統(tǒng)保持在穩(wěn)定周期狀態(tài)?;咎攸c(diǎn)是其控制信號不受系統(tǒng)變量實(shí)際變化影響,可完全避免對系統(tǒng)變量數(shù)據(jù)持續(xù)采集和響應(yīng),當(dāng)混沌現(xiàn)象被控制后,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)通常不是非控制系統(tǒng)原有軌道,控制信號須保持非零值,方法簡單且抗干擾性好,更適于實(shí)際操作。
系統(tǒng)外加驅(qū)動信號作為控制信號,一般是弱周期信號(即周期性脈沖信號或正弦信號)。在預(yù)先設(shè)定弱周期信號作用下,開環(huán)系統(tǒng)混沌軌道可移動相點(diǎn)使軌道成為閉環(huán),使紊亂混沌運(yùn)動變?yōu)榉€(wěn)定周期運(yùn)動。對系統(tǒng)參數(shù)施加驅(qū)動特定頻率、相位和幅度干擾,影響系統(tǒng)混沌動力行為。適當(dāng)相位驅(qū)動干擾可使系統(tǒng)穩(wěn)定在某一周期軌道上[13]。因此,在實(shí)際操作中選擇對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大的易改變參數(shù)作激勵(lì)參數(shù)。電壓模式Buck變換器在可選擇參考電壓作激勵(lì)參數(shù),引入驅(qū)動控制信號A,把A用Asin(ωt+θ)代替,該驅(qū)動控制信號與變換器開關(guān)同頻率,當(dāng)改變正弦波幅值和相位時(shí),可促使系統(tǒng)從混沌狀態(tài)向周期狀態(tài)過渡。
3.2 外加驅(qū)動控制法對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析
對激勵(lì)參數(shù)施加一個(gè)微小正弦周期信號,控制電路中出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。參考電壓為:
αsin(2πfst+θ)為驅(qū)動控制信號:α為驅(qū)動控制信號強(qiáng)度,θ為驅(qū)動控制信號初相,其中fs為擾動頻率(fs=f=1/T),構(gòu)成共振驅(qū)動響應(yīng)。根據(jù)已知電壓模式Buck變換器隨參考電壓Vref變化相(見圖3),當(dāng)參考電壓Vref=3 V時(shí),變換器處于混沌狀態(tài)。采用外加驅(qū)動控制電壓模式Buck變換器中混沌現(xiàn)象,在Simulink中加入一個(gè)周期性脈沖或正弦信號,在某個(gè)節(jié)點(diǎn)里加一個(gè)信號源作控制源,設(shè)置延遲時(shí)間。驅(qū)動控制信號有兩個(gè)可調(diào)節(jié)改變參數(shù)α和θ,為縮減參數(shù)范圍,本文θ=0,對應(yīng)不同α值觀察電路采樣[14]。混沌工作狀態(tài)如圖3(d)所示,控制結(jié)果如圖7(a)所示,當(dāng)α≥0.018時(shí),系統(tǒng)受控穩(wěn)定。在本研究中取較小驅(qū)動控制干擾強(qiáng)度作進(jìn)一步分析,當(dāng)α=0.018時(shí),對應(yīng)不同θ∈(0,2π)電路運(yùn)行狀態(tài)如圖7(b)所示,可知θ≈2時(shí),系統(tǒng)最穩(wěn)定,使混沌運(yùn)動穩(wěn)定在周期1軌道上如圖7(c)所示。
通過對圖2所示Buck變換器仿真模型中參考電壓施加一個(gè)驅(qū)動控制信號后,系統(tǒng)可在參考電壓變化范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行如圖8所示,從輸出電壓、電流、控制信號和鋸齒波信號仿真波形圖可見,波形平滑有序,施加驅(qū)動控制后仿真結(jié)果與圖4(d)和圖5(d)比較,當(dāng)Vref=3V時(shí),系統(tǒng)處于混沌狀態(tài),加入一個(gè)周期信號后,電感電流iL在[0.16 A,0.5 A]范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,輸出電壓VC在[4.05 V,5 V]范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,系統(tǒng)不再出現(xiàn)周期跳躍,使Buck變換器規(guī)律性穩(wěn)定在周期1狀態(tài)。施加驅(qū)動控制后輸出電流與電壓離散值與圖6結(jié)果相對,輸出電壓電流根據(jù)采樣點(diǎn)選取,證明外加驅(qū)動控制法可有效抑制電壓模式Buck變換器中分岔和混沌等非線性現(xiàn)象。
外加驅(qū)動控制法優(yōu)勢在于產(chǎn)生周期微擾信號,利用受控系統(tǒng)自身輸出信號反饋控制[15],抑制或消除混沌現(xiàn)象使系統(tǒng)歸于穩(wěn)定有序狀態(tài),即將變換器混沌轉(zhuǎn)為穩(wěn)定周期狀態(tài)。利用外加驅(qū)動控制法可降低電磁干擾,改善電路穩(wěn)定性能,適于工程電力電子電路中控制實(shí)現(xiàn)。
圖8 施加驅(qū)動控制后仿真波形Fig.8Simulation waveform after driving control
圖9 施加驅(qū)動控制后輸出電流與電壓離散值Fig.9Discrete values of output current and voltage after driving control
4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
試驗(yàn)研究法是研究DC-DC變換器復(fù)雜動力學(xué)行為重要方法。數(shù)值仿真可直觀理解復(fù)雜動力學(xué)行為,通過理論分析可解釋發(fā)生復(fù)雜動力學(xué)行為原因。
Buck變換器電路非線性控制策略與方法主要有反饋控制方法、OGY方法、最優(yōu)控制方法、脈沖控制方法等[16]??刂葡到y(tǒng)中分岔和混沌等非線性現(xiàn)象以及降低電磁干擾改善電磁兼容性等問題廣受關(guān)注,本文在Buck變換器非線性控制基礎(chǔ)上提出外加驅(qū)動控制方法,為驗(yàn)證該方法在理論分析過程中正確性以及試驗(yàn)可行性,搭建基于電壓模式控制Buck變換器電路仿真試驗(yàn)平臺,硬件電路所需模塊裝置(見圖10),該試驗(yàn)裝置中采用MOSFET作開關(guān)元件,其中PWM電壓模式比較器采用SG3525芯片,該芯片工作在主從模式,可將輸出驅(qū)動改為推拉輸出形式,增加驅(qū)動能力,限制最大占空比。在試驗(yàn)過程中提供一個(gè)可訪問反向輸入和輸出全補(bǔ)償誤差放大器,此放大器具有92dB典型直流電壓增益特點(diǎn),用于外部回路補(bǔ)償。參考電壓為工作時(shí)電容提供充電電流,參考部分具有短路保護(hù)功能并向附加控制電路供電,提供超過20 mA電流。在試驗(yàn)調(diào)試過程中,選取電路參數(shù)與數(shù)值模擬和仿真驗(yàn)證時(shí)系統(tǒng)參數(shù)一致,由實(shí)際運(yùn)行條件下系統(tǒng)時(shí)域波形圖可觀察電路參數(shù)對系統(tǒng)性能影響,驗(yàn)證所選取混沌控制方式可行性和優(yōu)越性。
圖10 硬件電路所需模塊裝置Fig.10Hardware circuit required module device
4.2 試驗(yàn)仿真結(jié)果與對比分析
結(jié)合本文建立仿真模型及試驗(yàn),利用外加驅(qū)動控制法分析電壓模式Buck變換器因參數(shù)發(fā)生敏感變化而發(fā)生的一系列不穩(wěn)定變化。經(jīng)過大量數(shù)值仿真試驗(yàn)分析結(jié)果可知,當(dāng)參考電壓Vref=3V時(shí),示波器輸出電壓電流波形結(jié)果(見圖11、12),由波形結(jié)果可見,電路正常運(yùn)行時(shí),輸出電壓和電流出現(xiàn)從倍周期分岔再到混沌一系列不穩(wěn)定變化。
圖11 分岔時(shí)輸出電壓與電流試驗(yàn)波形Fig.11Experimental waveforms of output voltage and current in bifurcation
由圖12可見,輸出電壓電流混沌后,波形施加驅(qū)動控制法時(shí),通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)驅(qū)動控制信號強(qiáng)度α和驅(qū)動控制信號初相θ[17],由圖13可知,在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生敏感變化時(shí),僅在每一段時(shí)間給反饋?zhàn)兞恳砸欢◤?qiáng)度控制,可使輸出電壓電流波形穩(wěn)定平緩并具有一定規(guī)則[18],使噪聲對電路分岔混沌結(jié)構(gòu)影響減小,電壓模式Buck變換器輸出電壓電流分岔和混沌波形圖可繼續(xù)保持原輪廓,達(dá)到穩(wěn)定周期狀態(tài)及理想仿真波形,證明外加驅(qū)動控制方法有效性和優(yōu)越性,使整個(gè)Buck變換器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)性能指標(biāo),并可推廣到其他相關(guān)電路非線性研究,為電力電子電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供可靠理論保障[19]。
圖12 混沌時(shí)輸出電壓與電流試驗(yàn)波形Fig.12Experimental waveforms of output voltage and current in chaos
圖13 外加驅(qū)動控制后輸出電壓與電流試驗(yàn)波形Fig.13Output voltage and current experimental waveforms after driving control
基于電壓模式Buck變換器因參數(shù)不同取值對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響,本文提出外加驅(qū)動控制法抑制系統(tǒng)非線性現(xiàn)象。
a.運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件綜合分析電壓模式Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及其精確數(shù)學(xué)模型,可見隨著參數(shù)變化系統(tǒng)由穩(wěn)定向混沌產(chǎn)生非線性現(xiàn)象演化。
b.在此模型基礎(chǔ)上,對其參考電壓施加一個(gè)驅(qū)動控制信號,通過調(diào)節(jié)該控制信號幅值及相位對系統(tǒng)優(yōu)化,使電路穩(wěn)定性不受參數(shù)變化影響,改善電磁兼容性能。
c.仿真結(jié)果表明,本文提出方法可抑制系統(tǒng)非線性現(xiàn)象,使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,保持在穩(wěn)定周期1狀態(tài)。該方法對DC-DC Buck變換器非線性控制策略具有一定優(yōu)越性。
d.試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致,證明外加驅(qū)動控制法可行性,非線性控制方法對電源設(shè)計(jì)和開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。
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Application of external drive control method in the control of nonlinear phenomenon of Buck converter
/FAN Junlong,JIN Huiya,TONG Dianxin,HE Xuedi,YANG Jingran,LIU Peng,ZHANG Huanyu(School of Electrical and Information,Northeast Agriculture University,Harbin 150030,China)
For variation of parameters when voltage mode control Buck converter in operation, which resulted in nonlinear phenomena such as bifurcation and chaos problem.With the circuit structure of Buck converter and its exact state equation model,Matlab/Simulink simulation software was used to establish the simulation model,and the simulation model has added driving control signal, through adjusting the control signal amplitude and phase,the system achieved an optimal nonlinear control results.Simulation results showed that the nonlinear phenomena in the system could be effectively suppressed by using external drive control method and the system stable operation,when the system circuit parameters changed.Verify feasibility of the method in controlling nonlinear phenomena by building a voltage mode control Buck converter experiment platform.
Buck converter;simulation;external drive control;nonlinear phenomena
TM773
A
1005-9369(2017)05-0072-10
時(shí)間2017-5-23 13:19:06[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170523.1319.020.html
房俊龍,靳惠雅,佟殿馨,等.外加驅(qū)動控制法在Buck變換器非線性現(xiàn)象控制中應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(5):72-81. Fan Junlong,Jin Huiya,Tong Dianxin,et al.Application of external drive control method in the control of nonlinear phenomenon of Buck converter[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(5):72-81.(in Chinese with English abstract)
2017-03-15
國家科技支撐計(jì)劃課題子課題項(xiàng)目(2014BAD06B04-1-09)
房俊龍(1971-),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化。E-mail:junlongfang@126.com