【文章內(nèi)容簡介】 模變結(jié)構(gòu)控制； (4) 自適應控制； (5) 智能控制。這些新控制方法的提出，使 DC/DC 變換器的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零，動態(tài)性能獲得很大改善，而且對參數(shù)的不確定性和負載的多變性也有很好的魯棒性。 雙線性理論 此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，能夠取得較好的控制效果。文獻 [7]應用此模型對Boost 電路進行閉環(huán)控制，不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量，而且實現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應。此方法一般適用于兩個狀態(tài)變量以上的 DC/DC 變換器拓撲。但這種控制方案的缺點是忽略了輸入電壓擾動，若輸入電壓擾動不為零，將會影響系統(tǒng)的性能甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定 [7]。 魯棒控制 魯棒控制是處理外加擾動和不確定性模型的有力工具，基于 DC/ DC 變換器的線性化小信號建模。文獻 [8]中提出了兩個自由度控制的設(shè)計思想，來實現(xiàn) DC/ DC 變換器的魯棒控制。它能夠?qū)ω撦d和輸入電壓的變化保證充足的魯棒性。 雖然魯棒控制解決了輸入電壓變化的問題 ，但其線性化小信號建模精確度不高，而且控制器結(jié)構(gòu)不可變，下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應控制 ，這兩種控制 能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制效果 [8]。 滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)理論由前蘇聯(lián)學者歐曼爾揚諾夫 (. Emelyanov)、尤特金 (V. )于 20 世紀 50 年代提出并發(fā)展至今?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性 ，它 使得系統(tǒng)在滑動模態(tài)下不僅保持對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動態(tài)性能 。 因此，它特別適用于 DC/DC 變換器這樣的 非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。 自適應控制 20 世紀 50 年代初提出的自適應控制方法是根據(jù)響應系統(tǒng)與目標系統(tǒng)對應變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調(diào)整響應系統(tǒng)的參數(shù)變化，最終使響應系統(tǒng)與目標系統(tǒng)同步。 文獻 [9]、 [10]分別提出了 PI 自適應串級控制和自適應 PID 串級控制，并很好地應用于 DC/ DC 升壓變換器中。此外，逆向自適應控制，雙環(huán)自適應控制和模型參考自適應控制等均已成功用于 DC/ DC 變換器。 這些控制方法的優(yōu)點是控制器結(jié)構(gòu)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，并對參數(shù)變化天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 具有很好的魯棒性。但由于其設(shè)計需要在線估計或辨識參數(shù) ，導致實現(xiàn)困難，而且存在實時性問題。自適應控制與其它控制方法以及智能控制相結(jié)合可以避免這些問題并得到更好的控制效果 [9][10]。 智能控制 智能控制是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制策略。這些方法不需要建立精確的數(shù)學模型，對系統(tǒng)參數(shù)變化具有很好的魯棒性，因此用于 DC/ DC 變換器的控制中，可以簡化非常復雜的建模問題而更適于實際應用 [11]。 論文結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容 第一章為緒論部分。首先闡述了課題研究的背景和意義，然后總結(jié)了當前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，最后簡要交代了本論 文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。 第二章介紹了 Buck 變換器技術(shù) ,其中詳細分析了 Buck 變換器的基本工作原理，接著分析了 Buck 變換器的工作模態(tài)和外特性。 第三章介紹了 Buck 變換器的主電路設(shè)計。 第四章分析了 Buck 變換器雙 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，從電流內(nèi)環(huán)到電壓外環(huán)，依次分析設(shè)計。 第五章利用 Simulink 對 Buck 變換器進行仿真 。 第六章 總結(jié)與展望。本章對這次畢業(yè)設(shè)計進行總結(jié)，提出不足和仍需完成的工作。 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第二章 Buck 變換器基本原理 Buck 變換器工作原理 Buck 電路是由一個功率晶體管開關(guān) Q 與負載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖 。驅(qū)動信號 Ub 周期地控制功率晶體管 Q 的導通與截止，當晶體管導通時，若忽略其飽和壓降，輸出電壓 Uo 等于輸入電壓；當晶體管截止時，若忽略晶體管的漏電流，輸出電壓為 0。電路的主要工作波形如圖 [12]。 +V i nQ fCfLRDU bU o+A 圖 Buck變換器電路 U b0 AU00tttV i nLi Li?Q O NQ O f f 圖 Buck變換器的主要工作波形 Buck 變換器工作模態(tài)分析 在分析 Buck 變換器之前，做出以下假設(shè)： 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 ① 開關(guān)管 Q、二極管 D 均為理想器件； ② 電 感、電容均為理想元件； ③電感電流連續(xù)； ④ 當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，可以認為輸出電壓為常數(shù)。 在一個開關(guān)周期中，變換器有 2 種開關(guān)模態(tài)，其等效電 路如 圖 和圖 所示。 +V i nQ fCfLRDU bU o+A： 圖 [t0~t1]的等效電路 +V i nQ fCfLRDU bU o+A 圖 [t1~t2]的等效電路 各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下 （ 1） 開關(guān)模態(tài) 0[t0~t1] 圖 對應圖 [t0~t1]時刻。在 t0 時刻，開關(guān)管 Q 恰好開通，二極管 D 截止。此時： dtdiLUUoi ?? （ 21） 電感中的電流線性上升，式 21 可寫成： onononom i nom a xoi TΔiLT iiLUU ???? （ 22） 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 U b0 AU00tttV i nLiLi?t 0 t 1 t 2Q O NQ O f f 圖 [t0~t1]的主要工作波形 （ 2） 開關(guān)模態(tài) 1[t1~t2] 圖 對應圖 [t1~t2]時刻。在 t1 時刻，開關(guān)管 Q 恰好關(guān)斷，二極管 D 導通。此時： dtdiLU0o ?? （ 23） 電感中的電流線性下降，式 23 可寫成： of fof fof fom i nom axof fom axom i no TΔiLT iiLT iiLU ?????? （ 24） 式中 Toff 為開關(guān)管 Q 的關(guān)斷時間。在穩(wěn)態(tài)時， ΔiΔiΔi onoff ?? ，聯(lián)解式 22與式 24 可得： io DUU ? （ 25） 輸出電流平均值： )i(i21I omi nomaxo ?? （ 26） 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 U b0 AU00tttV i nLiLi?t 0 t 1 t 2Q O NQ O f f 圖 [t1~t2]的主要工作波形 Buck 變換器外特性 在恒定占空比下，變換器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系 Uo=f(io)稱為變換器的外特性。式 25 表示了電感電流連續(xù)時變換器的外特性，輸出電壓與負載電流無關(guān)。當負載電流減小時，可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。圖 為電感電流斷續(xù)時電流波形圖。 由式 22 與式 24 可知，當輸入電壓 和輸出電壓一定時， Δi 為常數(shù)。由式26 可見，當負載電流減少到 0iomin? 時， Δiiomax? ，此時最小負載電流 ominI ，即為電感臨界連續(xù)電流 GI ： 2Δii21II o ma xo mi nG ??? （ 27） 由式 22 及式 25 得 Δi ，帶入式 27 得： D)D (12LTUI iG ?? （ 28） 由上式可見，臨界連續(xù)電流與占空度的關(guān)系為二次函數(shù)，當 D=1/2 時，臨界連續(xù)電流達到最大 值： 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 8LTUI iGmax ? （ 29） 當電感電流斷續(xù)時，即在 Toff 結(jié)束前續(xù)流二極管的電流已下降到 0，此時輸出的平均電流為： )TΔiTi (Δ21T1I 39。of f39。of fonono ??? （ 210） 式中， 39。offT 為開關(guān)管關(guān)斷后電感電流持續(xù)的時間，并且： 39。o f fo39。o f fonoion)TU(L1Δi)TU(UL1Δi???? （ 211） 穩(wěn)態(tài)時， 39。offon ΔiΔi ? ，由式 211 得： ono oi39。of f TU UUT ?? （ 212） 將式 211 及式 212 帶入式 210 得： ooi2Gma xo U UU4D/II ?? （ 213） 即： )D/ (4II1 1/UU 2G m axoio ?? （ 214） 0T o nT o f f39。offLit 圖 電感電流斷續(xù)時電流波形 可見在電流斷續(xù)區(qū)，輸出電壓與輸入電壓之比不僅與占空比有關(guān)，而且與負載電流有關(guān) [13][14]。 天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三章 Buck 變換器主電路設(shè)計 占空比 D 根據(jù) Buck 變換器的性能指標要求及 Buck 變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍： 0 .54 8 V2 4 VUUD0 .46 0 V2 4 VUUD0 .83 0 V2 4 VUUDiNonomim a xom inim inom a x????????? （ 31） 濾波電感 Lf （ 1）濾波電感量 Lf 計算 變換器輕載時，如果工作在電流連續(xù)區(qū)，那么為了保持一定的輸出電壓，占空比大為減小，也就是說開關(guān)管導通時間很短。如果這個時間小于開關(guān)管的存儲時間與最小控制時間之和，變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大，因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以，以最小輸出電流 Iomin 作為電感 臨界連續(xù)電流來設(shè)計電感，即 om inL m in ?? 。 在 Q 關(guān)斷時，由式 24 得： sL m i nm i noL m i nof f ( m ax )of ( m ax ) fΔi )D(1UΔiTUL ??? H μ 360200K H )(124V ?? ??? （ 32） 由 Lf≥ Lf(min)，取 Lf=360uH。 （ 2）濾波電感 Lf 設(shè)計 ① fL 的電流時單向流動的，流過繞組的電流具有較大的直流分量，并疊加一個較小的交流分量，屬于第三類工作狀態(tài)。因此磁芯最大工作磁密可以選的很高，接近于飽和磁密； ② fL 的電流最大值為 )(20%212AΔI21IIm axom axLf ???????； （ 33） ③ 初選磁芯大小。初步選擇 TOKIN 公司的 FEER42 磁芯，其有效導磁面積天津大學仁愛學院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 2e ? ； ④ 初選一個氣隙大小，以計算繞組匝數(shù)。取氣隙 1mmδ? ，由式子δ ANμL e20? 得： 6218 m m104 π 1m m360 μ6AμδLN27e0 f ??????? （ 34） 取 N=4 匝； ⑤ 核算磁芯最高工作磁密 Bm。由下式計算得： m πδNIμB 7L f ( m ax )0m ??????? （ 35） FEER42 磁芯的材質(zhì)為 2500B,其飽和磁密為 200mTBs ? ，顯 然 sm BB ? ，符合要求。 ⑥ 計算繞組的線徑。輸出濾波電感電流有效值的最大值 ? ，取電流密度為 ? ，用線徑為 ? 的漆包線，則需要其根數(shù)為： ( m / 2) / m m