段玥彤

（江蘇省張家港中等專業(yè)學(xué)校）

0 引言

開關(guān)電源在日常居民的生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用，開關(guān)電源的核心在于其控制策略，其控制方法吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究。在當(dāng)今集成電路技術(shù)快速蓬勃發(fā)展的背景下，由于開關(guān)電源的主要特征是效率高、體積小、數(shù)字化，使得國內(nèi)外大量學(xué)者均集中研究開關(guān)電源數(shù)字化，該領(lǐng)域成為了開關(guān)電源的研究熱點(diǎn)之一［1-2］。

DC-DC boost變換器是開關(guān)電源中的一種，其能夠?qū)⑤斎雮?cè)低壓直流電變換為輸出側(cè)高壓直流，可以將其理解為直流升壓變壓器，其主要應(yīng)用在將直流低壓轉(zhuǎn)換為直流高壓的場合［3］。目前該變換器主要的控制方法是無電流傳感器控制法，該方法具有電路能耗比低、穩(wěn)態(tài)性好等特點(diǎn)。但該方法抗干擾能力差、易受外界環(huán)境干擾、電流測量成本高，一旦出現(xiàn)外界干擾或內(nèi)部擾動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定［4-5］。

論文在理論分析的基礎(chǔ)上建立了狀態(tài)觀測模型，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出DC-DC型boost電路中電容和電感的輸出信號，進(jìn)而可以對電路輸出數(shù)值進(jìn)行數(shù)字化控制。為了驗(yàn)證該方案的可行性，論文基于Matlab軟件建立模型，并設(shè)定干擾信號，來驗(yàn)證電路輸出的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電路出現(xiàn)干擾或負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，論文建立的DC-DC boost變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均能夠快速穩(wěn)定，提高了開關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性。

1 變換器電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)建模

1.1 控制策略

在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨需求變化而進(jìn)行變動(dòng)，開關(guān)電源傳統(tǒng)的控制策略主要是PID控制，將采集系統(tǒng)的輸出電壓與設(shè)定的輸出值進(jìn)行比較，然后通過微分積分比例運(yùn)算后，調(diào)節(jié)輸入信號，進(jìn)而控制輸出數(shù)值，該控制策略穩(wěn)定性較好，但也存在一定局限性［6］。一旦負(fù)載發(fā)生快速增大或快速減小，或者是大幅度調(diào)節(jié)輸入信號，其輸出瞬態(tài)響應(yīng)性能較差，無法滿足實(shí)際工程要求。基于此論文提出的滑?？刂品椒ú捎梅蔷€性控制，具有瞬態(tài)響應(yīng)快、跟隨性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足DC-DC boost輸出控制響應(yīng)快的要求?；？刂圃硎菍⒖刂葡到y(tǒng)由外部運(yùn)動(dòng)變換至平面內(nèi)之后，運(yùn)動(dòng)到給定或設(shè)定的點(diǎn)，相當(dāng)于設(shè)置一個(gè)新的平面，該平面決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的特性，使外部環(huán)境或系統(tǒng)內(nèi)因素?zé)o法對其造成干擾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定［7］。

1.2 建立模型

DC-DC boost電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1中可以看到，該電路主要包括晶體管、模擬負(fù)載的電阻、濾波的電感及穩(wěn)壓的電容。晶體管是三端口，由一個(gè)端口的輸入信號控制另外兩個(gè)端口的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)控制信號使得P1晶體管導(dǎo)通，而使P2晶體管關(guān)斷時(shí)，通過觀察電路可得，輸入電壓的回路經(jīng)過電感L、負(fù)載電阻R、電容C然后返回負(fù)極，在這個(gè)過程中輸入電壓Ui給電容充電同時(shí)給負(fù)載R供電。而當(dāng)控制信號使得P1晶體管關(guān)斷、P2晶體管導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)的導(dǎo)通回路則是電感L、電容C、負(fù)載電阻R、P2晶體管，已經(jīng)儲(chǔ)能的電容C將通過負(fù)載電阻進(jìn)行放電，同時(shí)也會(huì)通過晶體管P2對電感進(jìn)行放電，此時(shí)電感主要起到的作用是穩(wěn)壓，防止負(fù)載電阻R上的電壓發(fā)生突變，從而降低電壓波形畸變，提高電壓的質(zhì)量。合理控制驅(qū)動(dòng)信號加上合適的電容和電感選擇值，會(huì)促使輸出電壓U0更加穩(wěn)定，由基爾霍夫電流（KCL）和基爾霍夫電壓（KVL）定律可得到該拓?fù)潆娐返臄?shù)學(xué)模型。

圖1 DC-DC boost變換器電路結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)P1晶體管導(dǎo)通而P2晶體管關(guān)斷時(shí)，模型如公式（1）、（2）所示。

當(dāng)P1晶體管關(guān)斷而P2晶體管導(dǎo)通時(shí)，模型如公式（3）、（4）所示。

2 DC-DC boost變換器在滑模控制技術(shù)下的仿真驗(yàn)證

為了進(jìn)一步分析DC-DC boost變換器數(shù)學(xué)模型能否滿足工程對動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)的要求，論文基于Matlab仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。仿真的框架流程如圖2所示，主要包括boost變換器部分、狀態(tài)觀測、驅(qū)動(dòng)信號控制裝置、輸入和輸出信號。整個(gè)仿真分析流程可以進(jìn)一步概括為，狀態(tài)觀測裝置會(huì)觀測DC-DC boost輸出端的電容電壓UC和電感電流IL，然后結(jié)合輸入電壓Ui經(jīng)過滑?？刂七\(yùn)算后輸出得到控制信號，該控制信號可以控制輸出PWM波形，PWM波形進(jìn)而控制兩個(gè)晶體管的開通和關(guān)斷，從而最終控制輸出電壓，通過不斷地調(diào)整各參數(shù)使得輸出電壓數(shù)值滿足預(yù)期要求。

圖2 軟件仿真信號控制流程圖

2.1 狀態(tài)觀測值與真實(shí)值對比分析

利用Matlab軟件對比分析拓?fù)潆娐分械臓顟B(tài)觀測值和真實(shí)值，拓?fù)潆娐返碾姼?、電容、?fù)載、輸入和輸出電壓參數(shù)見下表。按照表中的變換器參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

表 變換器各參數(shù)

仿真的結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3可以得到，變換電路中電感電流觀測值與真實(shí)值在0.15ms之前有一定的波動(dòng)，但是在0.15ms以后這種波動(dòng)及誤差幾乎可以忽略不計(jì)，仿真結(jié)果表明，拓?fù)潆娐分须姼须娏饔^測值能夠很好匹配真實(shí)值。

圖3 變換電路中電感電流觀測值與真實(shí)值對比

圖4 變換電路中電容電壓觀測值與真實(shí)值對比

從圖4可以得到，拓?fù)渥儞Q電路中電容電壓觀測值與真實(shí)值在0.2ms之前，二者曲線相差較大，但是在0.2ms以后二者曲線相互重疊，這表明電容電壓觀測值與真實(shí)值匹配性非常好，即拓?fù)潆娐分杏^測值能夠替代真實(shí)值。綜上，通過拓?fù)潆娐分械碾姼须娏骱碗娙蓦妷旱恼鎸?shí)值和觀測值對比分析可以得到，二者偏差非常小，能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

2.2 負(fù)載電壓仿真分析

傳統(tǒng)的DC-DC boost拓?fù)潆娐分饕捎肞ID控制策略，該控制策略對于負(fù)載突變的快速響應(yīng)能力較差。對此，論文采用非線性滑?？刂萍夹g(shù)以加快電路的響應(yīng)速度。為了對比研究分析傳統(tǒng)PID控制與滑?？刂菩Ч贛atlab軟件，論文設(shè)定一個(gè)擾動(dòng)然后觀察輸出電壓的波形，仿真的結(jié)果如圖5所示。在正常運(yùn)行拓?fù)潆娐分?.4ms時(shí)人為設(shè)定一個(gè)擾動(dòng)，從圖中可以看到兩個(gè)波形均出現(xiàn)擾動(dòng)，證明了設(shè)定擾動(dòng)的有效性。圖5中上方變化波形為PID控制輸出波形，下方波形為滑?？刂戚敵鲭妷翰ㄐ危瑥膱D中看到，PID控制波形波動(dòng)最大幅值約0.025V，采用滑模控制的波形最大波動(dòng)幅值約為0.008V，表明滑模控制技術(shù)輸出波形波動(dòng)幅度更小，輸出更加穩(wěn)定。從穩(wěn)定時(shí)間來看，滑模技術(shù)控制的電壓輸出波形僅有一個(gè)波動(dòng)，時(shí)間約為0.01ms，而傳統(tǒng)PID輸出電壓波形穩(wěn)定的時(shí)間約為0.2ms，且在該段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，而滑?？刂萍夹g(shù)僅有一段向下波動(dòng)。通過對仿真結(jié)果的分析我們可以得到滑?？刂萍夹g(shù)要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)，更適用于快速響應(yīng)要求高的開關(guān)電源。

圖5 滑?？刂萍夹g(shù)與PID控制技術(shù)擾動(dòng)后輸出電壓變化趨勢

3 結(jié)束語

開關(guān)電源回路中的核心是控制，傳統(tǒng)的開關(guān)電源控制策略是采用PID控制，但該控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度差，一旦負(fù)載突變或輸入電壓快速調(diào)節(jié)，輸出電壓無法有效跟隨?；谶@個(gè)背景，論文提出建立新型拓?fù)潆娐?，利用狀態(tài)觀測估計(jì)電路結(jié)構(gòu)中的電感和電容數(shù)值，通過估算出的數(shù)值控制驅(qū)動(dòng)裝置來調(diào)節(jié)輸出電壓，以達(dá)到設(shè)定的輸出期望值。同時(shí)基于仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證分析，仿真結(jié)果表明狀態(tài)觀測值能夠很好地替代真實(shí)值。同時(shí)在拓?fù)潆娐分性O(shè)定一個(gè)擾動(dòng)，來進(jìn)一步仿真分析傳統(tǒng)PID調(diào)控和采用滑模控制的輸出數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)收斂性，仿真結(jié)果表明，采用滑?？刂撇呗阅軌?qū)崿F(xiàn)快速收斂，表明新型控制策略具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠滿足工業(yè)系統(tǒng)對于控制的要求。