無(wú)源自適應(yīng)控制Buck-Boost變換器研究

摘要：為獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，在Buck-Boost變換器狀態(tài)空間平均模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)無(wú)源控制器，它具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快，輸出紋波小的特點(diǎn)，但當(dāng)輸入電源電壓出現(xiàn)大幅擾動(dòng)時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出存在偏差。針對(duì)此問(wèn)題，提出一種無(wú)源自適應(yīng)控制策略。對(duì)采用無(wú)源自適應(yīng)控制策略的Buck-Boost變換器進(jìn)行仿真，并在輸入電壓寬范圍變化的助航燈光單燈回路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該變換器在滿足靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的同時(shí)，對(duì)寬輸入電壓擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。
關(guān)鍵詞：變換器；非線性控制；無(wú)源性控制；自適應(yīng)控制

1 引言
    DC／DC開(kāi)關(guān)變換器傳統(tǒng)控制方式多采用PID控制。雖然PID控制的DC／DC變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于調(diào)節(jié)，但該變換器是一個(gè)強(qiáng)非線性、時(shí)變、離散系統(tǒng)，具有非線性和時(shí)變不確定性，用常規(guī)的PID控制器很難達(dá)到理想的控制效果，因此采用先進(jìn)的非線性控制策略至關(guān)重要。文獻(xiàn)對(duì)解決負(fù)載擾動(dòng)和降低系統(tǒng)超調(diào)關(guān)注比較多，較少考慮輸入電源大幅度變化對(duì)DC／DC變換器產(chǎn)生的影響。此處將無(wú)源控制方法應(yīng)用于非線性DC／DC變換器，在Buck-Boost變換器狀態(tài)空間平均模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)無(wú)源控制器。針對(duì)無(wú)源控制在寬輸入電源電壓時(shí)穩(wěn)態(tài)存在偏差的問(wèn)題，提出了無(wú)源自適應(yīng)控制策略。在該控制策略下，Buck-Boost變換器保留了無(wú)源控制自身響應(yīng)速度快、輸出紋波小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)輸入電源大幅度變化的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。
    此處以機(jī)場(chǎng)助航燈光單燈監(jiān)控電源的數(shù)字控制DC／DC變換器為例，通過(guò)在輸入電源寬范圍(6～30 V)變化的助航燈光單燈監(jiān)控電源中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了無(wú)源自適應(yīng)控制策略的可行性。

2 Buck-Boost變換器的無(wú)源化設(shè)計(jì)
2．1 無(wú)源性基本理論
    若系統(tǒng)輸入為u(t)，輸出為y(t)，狀態(tài)變量為x(t)，存在連續(xù)可微的半正定的存儲(chǔ)函數(shù)U(x)及正定函數(shù)Q(x)且滿足如下條件：
   
    那么系統(tǒng)是無(wú)源的。如果當(dāng)u(t)=0，y(t)=0時(shí)，有成立，則該系統(tǒng)為嚴(yán)格無(wú)源的系統(tǒng)，存儲(chǔ)函數(shù)就可成為L(zhǎng)yapunov函數(shù)。則使閉環(huán)系統(tǒng)在原點(diǎn)x=0全局漸近穩(wěn)定的反饋控制器可給定u=φ(y)，其中φ(y)為滿足yTφ(y)<0的函數(shù)。
2．2 Buck-Boost變換器無(wú)源性
    Buck-Boost變換器的主電路如圖1所示，要進(jìn)行系統(tǒng)無(wú)源控制器設(shè)計(jì)，可使用變換器的Euler-Lagrange數(shù)學(xué)模型。換器的Euler-Lagran ge數(shù)學(xué)模型與變換器的狀態(tài)平均模型一致，假定變換器工作在連續(xù)狀態(tài)，其狀態(tài)空間平均模型為：
   
  
    故系統(tǒng)是無(wú)源的?？赏ㄟ^(guò)函數(shù)φ(y)注入合適的阻尼，使系統(tǒng)輸出誤差漸近穩(wěn)定到零點(diǎn)，系統(tǒng)狀態(tài)及輸出變量逐漸收斂到期望值。

2．3 Buck-Boost變換器的無(wú)源控制器設(shè)計(jì)
    將Buck-Boost變換器的狀態(tài)空間方程整理為：
   
   
    通過(guò)間接控制期望值Iref得到d，進(jìn)而控制系統(tǒng)輸出電壓，使其輸出漸近穩(wěn)定于期望輸出。

3 無(wú)源控制仿真研究
    Buck-Boost變換器元件參數(shù)：L=400μH，C=200 μF，R=50 Ω，E=12 V，開(kāi)關(guān)頻率為40 kHz，穩(wěn)態(tài)時(shí)d=0．5，期望輸出電壓為12 V。注入阻尼值R1=0．5，參考電感電流設(shè)置為1．618 A。圖2為變換器僅使用無(wú)源控制時(shí)負(fù)載電壓的輸出響應(yīng)。
    由圖2a可知，無(wú)擾動(dòng)時(shí)上升時(shí)間約為5．4 ms，輸出電壓無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為7．4 ms，穩(wěn)態(tài)輸出電壓(12+0．013)V。圖2b為系統(tǒng)輸入電源在0．06 s時(shí)發(fā)生33．3％擾動(dòng)變化后(電壓由12 V變化到8 V)負(fù)載電壓輸出響應(yīng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出只有(8．28±0．008)V，不能滿足穩(wěn)態(tài)要求。

    仿真結(jié)果表明：在無(wú)擾動(dòng)時(shí)，無(wú)源控制使得變換器的輸出電壓快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，適當(dāng)選取注入的阻尼值可減小輸出電壓振蕩，縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。但當(dāng)輸入電源寬范圍擾動(dòng)時(shí)，無(wú)源控制不能使輸出電壓恢復(fù)到期望值。

4 無(wú)源自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)
4．1 模型參考自遺應(yīng)控制結(jié)構(gòu)的建立
    鑒于單純使用無(wú)源控制器無(wú)法解決寬范圍電源輸入擾動(dòng)的問(wèn)題，此處提出無(wú)源自適應(yīng)控制策，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其基本思想是：將Buck-Boost變換器期望輸出的恒值電壓X2ref作為參考模型，無(wú)源控制器和Buck-Boost變換器共同作為可調(diào)模型(虛線框所示)，自適應(yīng)律作為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，建立模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)。

    參考模型和可調(diào)模型被Xref所激勵(lì)，X2ref和X2分別為參考模型和可調(diào)模型的狀態(tài)。X2ref規(guī)定了Buck-Boost變換器期望輸出的電壓，這里選用X2ref保證了參考模型的準(zhǔn)確性；而X2是實(shí)際測(cè)量到的Buck-Boost變換器輸出電壓。X2ref與X2比較后得到e，將e輸入自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)修改可調(diào)模型的參數(shù)，即變換器開(kāi)關(guān)占空比d，使得X2能快速穩(wěn)定地逼近X2ref。
4．2 自適應(yīng)控制律的設(shè)計(jì)
    圖3中的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)就是要利用可調(diào)模型與參考模型間的狀態(tài)矢量誤差e產(chǎn)生一個(gè)合適的自適應(yīng)規(guī)律，使得可調(diào)模型的X2能逼近X2ref。根據(jù)Popov超穩(wěn)定性理論，變換器占空比偏差△d與e存在比例積分關(guān)系。設(shè)計(jì)無(wú)源自適應(yīng)控制律為：
   
    式中：kp，ki分別為比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)；d’為由無(wú)源性控制律計(jì)算得到的變換器開(kāi)關(guān)占空比。
    當(dāng)發(fā)生電源擾動(dòng)時(shí)，如E變小，導(dǎo)致無(wú)源控制器輸出減小，此時(shí)系統(tǒng)輸出相應(yīng)減小。但由于自適應(yīng)機(jī)構(gòu)作用輸出△d增加，導(dǎo)致d增大，變換器輸出增大直至恢復(fù)到期望電壓輸出，反之亦然。因此通過(guò)△d來(lái)改變無(wú)源控制的輸出d，減小e，從而可使電源系統(tǒng)輸出在輸入電源寬范圍擾動(dòng)下恢復(fù)到期望值。
4．3 仿真分析
    設(shè)定自適應(yīng)機(jī)構(gòu)參數(shù)kp=0．013．ki=2．61，其他系統(tǒng)仿真參數(shù)不變。系統(tǒng)分別在E>12 V，E<12 V兩種輸入電源電壓擾動(dòng)情況下采用無(wú)源自適應(yīng)控制律進(jìn)行仿真。
    圖4為Buck-Boost在無(wú)源自適應(yīng)控制下的輸出響應(yīng)。圖4a為E<12 V擾動(dòng)時(shí)(在t=0．06 B輸入電源從12 V變化到8 V)，輸出能快速調(diào)整到穩(wěn)態(tài)輸出(12±0．065)V，穩(wěn)態(tài)時(shí)間小于15 ms。圖4b為E>12 V擾動(dòng)時(shí)(在t=0．06 s輸入電源從12 V變化到19 V)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出在0．01 s內(nèi)快速恢復(fù)到(12+0．057)V，完全滿足穩(wěn)態(tài)要求。

    仿真結(jié)果表明：采用無(wú)源自適應(yīng)控制策略的Buck-Boost變換器具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)及抗輸入電源擾動(dòng)能力。

5 實(shí)驗(yàn)
5．1 機(jī)場(chǎng)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)供電電源
    為實(shí)現(xiàn)無(wú)源自適應(yīng)控制策略，設(shè)計(jì)了數(shù)字控制Buck-Boost開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，Buck-Boost開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

    采用壓頻轉(zhuǎn)換電路，將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字式頻率信號(hào)，再利用單片機(jī)的PCA頻率捕獲模式檢測(cè)此頻率信號(hào)，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力?；魻杺鞲衅鲗z測(cè)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成4 V以內(nèi)的電壓信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并計(jì)算處理，得出電感電流值。單片機(jī)再將檢測(cè)到的電感電流值、輸出電壓值代入無(wú)源自適應(yīng)控制律計(jì)算處理，以確定單片機(jī)輸出的PWM占空比。
5．2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    在助航燈5級(jí)燈光(電流有效值2．8～6．6 A)下對(duì)基于無(wú)源自適應(yīng)控制律的Buck-Boost進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖6示出部分實(shí)驗(yàn)波形。圖6a為3級(jí)光下Buck-Boost輸出電壓波形圖，輸出穩(wěn)定時(shí)間約為20 ms；圖6b為助航燈光由3級(jí)光切換到2級(jí)光(E從12 V突變到8 V)時(shí)輸出電壓波形，變換器輸出恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)12 V所需時(shí)間約為20 ms。不同燈光等級(jí)下變換器輸出結(jié)果如表1所示。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在5種燈光電流等級(jí)下的數(shù)字控制Buck-Boost電源不僅具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，而且對(duì)寬輸入電壓擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性，滿足燈光巡檢單元工作電源的要求，充分驗(yàn)證了無(wú)源自適應(yīng)控制策略的可行性。

6 結(jié)論
    DC／DC變換器是一個(gè)強(qiáng)非線性、時(shí)變、離散系統(tǒng)，研究其非線性控制規(guī)律具有重要意義。針對(duì)無(wú)源控制在寬輸入電源電壓時(shí)穩(wěn)態(tài)輸出存在偏差的問(wèn)題，提出無(wú)源自適應(yīng)控制策略。在輸入電壓寬范圍變化的助航燈光單燈回路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該變換器在滿足動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)的同時(shí)，對(duì)寬輸入電壓擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。同時(shí)與傳統(tǒng)的模擬控制器相比，數(shù)字式控制器具有更高的可靠性和靈活性，數(shù)字控制的DC／DC除瞬態(tài)響應(yīng)稍慢，其他性能均可與模擬控制相媲美。