半功率DCDC变换器自适应反演滑模控制器设计

王必荣,郭兴众,黄宜庆,王 硕

(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖 241000)



半功率DCDC变换器自适应反演滑模控制器设计

王必荣,郭兴众∗,黄宜庆,王 硕

(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖 241000)

摘要:针对纯电动汽车大功率电压变换需求,提出一种半功率DCDC变换器．根据现有知识建立模型,设计自适应反演滑模控制器,推导出控制器稳定条件．最后,利用对比仿真验证控制器的有效性与可行性．

关 键 词:DCDC变换器,自适应反演滑模,Simulink

DCDC变换器是纯电动汽车中重要的能量转换器件,性能好坏直接影响到电动汽车运行状况．传统DCDC变换器在负载侧只有一个支撑电容时,电容电压变化过大可能会击穿,因此对电容要求比较高．国内外学者对此类DCDC变换器做了大量研究,并取得了一定成果．文献[1]设计了鲁棒非线性控制器,对模型中各个参数均做了稳定性分析,但是波形抖动都比较大．文献[2]针对DCDC变换器设计控制器利用自适应滑模控制方法,详细分析了在负载变化与不变时两种情况的设计过程,但是控制器稳定性较差．文献[3]介绍了一种反演(backstepping)控制器设计过程,设计过于繁琐．文献[4]阐述了自适应滑模控制,观测对象是DCDC中多个参数,由于选择观测对象太多,仿真控制效果较差．文献[5]提出了一种新型DCDC变换器,且具有任意升降压功能,但在负载变化和电源电压变换时输出电压超调太大．文献[6]提出了一种新型的DCDC变换器的建模方法,但是忽略了器件内部的物理特征,直观性不强．

针对传统DCDC变换器中对电容电压要求过高的缺陷,设计一种半功率升压DCDC变换器．在此基础上,提出了一种自适应反演滑模控制器．该变换器能够克服DCDC变换中对电容电压要求过高的缺陷,能够更加有效地实现对负载实时跟踪．最后,通过搭建Simulink仿真平台验证了方法的可行性和有效性．

1 DCDC变换器自适应反演滑模控制

半功率DCDC变换器拓扑结构如图1所示．

半功率DCDC变换器状态空间平均模型[7]如式(1)所示:

控制器模型设计如下:设计自适应参数,令1/R＝θ,定义θ估计值为,θ与之间估计误差定义为．得到＝θ－;Id＝

图1 DCDC变换器拓扑结构

控制器为

式中,C1、C2、k、η均为正值．

第一步:定义输入误差z1;

对z1求导

是一个可变且不能控输入．因此用α代替x2L

第二步:定义滑模面s;

由式(5)、式(7)、式(8)可得

c2是设计参数大于0;k是设计参数大于0．

参数c1、c2、k均为正值,李雅普诺夫函数V＝0．5 z21＋s2＋~θ2/η ()为正定,̇V≤0为负定,可证明系统全局稳定．

2 仿真验证

为了验证控制器有效性,通过搭建Simulink仿真模型对DCDC变换器(见图1)仿真．仿真参数如下:参考电压Vd＝30 V,电源电压E＝15 V,L＝20 m H,C＝68 u F,c1＝110,c2＝1 000,η＝10－7．由电容C2直接跟电源相连接可知,C2电压始终保持不变,C1电压变化．在0．1 s时,负载由30Ω变为25Ω．控制系统框图如图2所示．

图2 控制系统框图

电压电流双闭环PID控制与自适应反演滑模控制仿真对比如图3所示．由图3可知,PID控制在启动阶段会有明显的冲击电压和冲击电流,当负载发生变化时,电压电流均有明显波动,这对于电力电子器件具有很大危害．由仿真对比可知,自适应反演滑模控制输出波形没有明显冲击,过度很平滑．

图3 负载输出电压,电容C1电压、电感电流、及控制信号u仿真对比曲线

负载R参数估计曲线如图4所示．由图4可知,观测器在短时间内可以跟踪到负载变化．当负载突变时,所有参数均有轻微波动,短时间内趋于平稳,说明系统具有较强稳定性．由对比可知,自适应反演滑模控制是可行及和有效的．

图4 负载R参数估计曲线

3 结论

设计了一种半功率升压DCDC变换器,在此基础上,以电感电流为控制对象设计了一种自适应反演滑模控制器．通过仿真实验可以看出,系统在短时间内可以达到稳定状态,并且当负载发生变化时,观测器能较快跟踪到负载变化．因此,设计的控制器较传统控制器具有一定的优越性．

参考文献:

[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,王庆林．Backstepping设计方法及应用[J]．自动化博览,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] 吴苓芝,丁新平,魏文健,等．一种新型升降压DC/DC变换器的建模与控制[J]．电气自动化,2015,37(12):5-7,11．

[6] 杜韦静,张军明,张阳,等．一种新型研究Boost电路大信号稳定性的模型[J]．电工技术学报,2013,28(3):188-194．

[7] 徐德鸿．电力电子系统建模及控制[M]．北京:机械工业出版社,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

中图分类号:TP17

文献标识码:A

收稿日期:2015-05-12

基金项目:安徽省芜湖市科技计划重点项目(2014CXY06)

作者简介:王必荣(1990-),男,安徽合肥人,硕士研究生．

通讯作者:郭兴众(1962-),男,安徽阜阳人,教授,硕导．