（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制的新结构降压变换器的研究.pdf

a b s t r a c t p cc o m m u n i c a t i o n s ，m i c r o p r o c e s s o r sa n ds p a c et e c h n o l o g yh a v ee x p e r i m e n t e d a v e r yi m p o r t a n td e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo f t h el i m i t a t i o n so ft h ep o w e r e l e c t r o n i c se q u i p m e n t ，m o s to ft h ed c d cc o n v e r t e r sh a v et h ef a u l tl i k el i t t l ev o l t a g e r a n g e ，s l o w t r a n s i e n tr e s p o n s e ，t h o u g ht h e yc a nu s et h ec o n t r o lm e t h o do fp w m t h ed r a w b a c ko ft h eo l dc o n v e r t e ri st h a ti tp o s s e s s e ss l o wt r a n s i e n tr e s p o n s eo n l o a do rp o w e rs u p p l yv a r y , a n dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o lm e t h o di ss oh a r d s oan e w b u c kc o n v e r t e ri sd e s i g n e di nt h i ss u b j e c tw i t hf u z z yc o n t r o lm e t h o d ，t or e s o l v et h e p r o b l e m s t h en e wt o p o l o g yi sc o m p o s e do ft w ob u c kc o n v e r t e r sc a l l e dm a i nc o n v e r t e ra n d a u x i l i a r yc o n v e r t e rc o n n e c t e di np a r a l l e l t h ea u x i l i a r yc o n v e r t e ri su s e dt ow o r ki n t r a n s i e n to p e r a t i o na n dp r o v i d et h er e q u i r e dh i g hc u r r e n ts l e wr a t e c o m p a r i n gt ot h e o l d t o p o l o g y , t h ea d v a n t a g eo ft h en e wt o p o l o g yi st h a ti tc a np r o v i d ef a s tt r a n s i e n t r e s p o n s ew i t hl o wo u t p u tv o l t a g er i p p l e t h em e t h o do ff u z z yc o n t r o li su s e dt ot h en e wt o p o l o g y t h em e t h o do ff u z z y c o n t r o ld on o tn e e dt ob u i l dt h em a t hm o d e l ，j u s tn e e dt h ee x p e r i e a c eo ft h es y s t e m a n di th a st h eb e t t e rr o b u s t n e s sa n dr e a lt i m e t h a nt h eo l dc o n t r 0 1m e t h o d a f t e rt h en e c e s s a r yd i s c u s s i o na n dd e s i g no nt h en e wt o p o l o g y , t h ea d v a n t a g eo f t h en e wt o p o l o g yi sp r o v e db ym a t l a b a n dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do nd s p i sd e s i g n e dt op r o v et h ea d v a n t a g eo ft h en e wt o p o l o g y k e yw o r d s ：d c d c c o n v e r t e rc o n t r o lm e t h o d f u z z yc o n t r o l f a s tt r a n s i e n t r e s p o n s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 钞纬 签字日期：加占 等j 2 月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：少韶年 导师虢2 甭 签字日期：护6 年夕月力日 日 牛矽 现堋 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及其研究意义【l 】 1 1 1d c - d c 变换器 d c - d c 变换器是开关电源的主要组成部分，是一种应用电力半导体器件及 电子技术对原始电能进行转换、加工、调节的电子设备，它可以广泛应用在电机 拖动、不间断电源、加热、照明、电化学、电弧焊、高压直流输电、有源滤波、 无功补偿、计算机、航天等各个领域。作为电力电子技术的一个重要分支，d c d c 变换器从2 0 世纪7 0 年代开始风靡于欧、美、日等世界各国，目前仍方兴未艾， 正在以前所未有的速度，朝着轻型、高效、高频、模块化和集成化的方向发展。 一个理想的d c - d c 变换器从电特性上来讲就是一个可控的理想变压器，但 是常用的实际变压器只能变换交流，不能变换直流，因为变压器的铁心要饱和。 为了近似实现直流变换器的功能，除需要开关元件外，必然还需要一个能量传递 元件，它的作用是在一个周期内的一部分时间里把输入电源的能量储存起来，在 同一个周期的另一部分时间里把能量传递给负载。能量传递元件一般由电容或电 感来充当。另外，为了使负载上得到近似直流的电压或电流，变换器中要包括有 低通滤波元件。滤波元件通常也是由电容或电感来充当。因此，通常p w m 型 d c - d c 变换器一般要包括三部分：即开关元件、能量传递元件和低通滤波元件， 开关元件总是和能量传递元件连接在一起的，能量传递同时也兼有滤波的作用， 滤波元件也可看成能量传递元件。 d c d c 变换器按输入和输出间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离 的称为不隔离的d c d c 变换器，有电气隔离的成为有隔离的d c d c 变换器。 不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管三类。 单管直流变换器有六种，即降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s t ) 变换器、 升降压式( b u c k b o o s t ) 变换器、c u k 变换器1 2 5 1 、z e t a 变换器和s e p i e 变换器等。 在这六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派 生出来的。双管直流变换器有双管串接的升降式( b u c k b o o s t ) 变换器。全桥直 流变换器( f u l l b r i d g ec o n v e r t e r ) 1 2 7 是常用的四管直流变换器。隔离型直流变换 器也可以按所用功率开关管数量来分类。典型单管直流变换器有正激变换器 ( f o r w a r d ) 、反激变换器( f i y b a c k ) 两种、双管变换器有双管正激变换器( d o u b l e 天津大学硕士学位论文第一章绪论 t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r ) 、双管反激变换器( d o u b l et r a n s i s t o r f l y b a c k c o n v e r t e r ) 、推挽( p u s h - p u l lc o n v e r t e r ) 和半桥( h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r ) 四种，四 管直流变换器就是d c d c 全桥变换器( f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r ) 。 按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 和软开 关( s o rs w i t c h i n g ) 两种。硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或电流的 情况下接通或关断的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开 关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。变换器工作状态一定时，开关开通或关断一次的损耗 也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗越大。同时，开关过程中还会激起电 路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因此硬开关直流变换器的开关频 率不能太高。软开关直流变换器的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的 电压为零，即零电压开关( z e r o - v o l t a g e s w i t c h i n g ，z v s ) ，或是通过器件的电流为 零，即零电流开关( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ，z c s ) 。这种开关方式显著地减小了开 关损耗和开关工程中激起的振荡，可以大幅度地提高开关频率，为变换器的小型 化和模块化创造了条件。 1 1 2 d c - d c 变换器存在的问题嘲 基本的d c - d c 开关变换器包括b u c k ( 降压型) 、b o o s t ( 升压型) 、b u c k b o o s t ( 升 降压型) 、c u k 型、s e p t i c 型和z e t a 型等六种。这些基本的拓扑结构具有结构简 单、容易进行分析和控制的优点。近几年来，随着个人电子计算机、通信设备、 微小型电器设备的发展，以及空间技术实际应用的需要，要求d c d c 变换器具 有更小的体积、重量和更高的功率密度，这就要求d c d c 变换要具有更高的开 关频率，因此在一些要求较高的应用场合，传统的d c d c 变换器的实际应用效 果不是很理想，这主要是由于他们虽然可以采用传统的p w m 控制方式，但是由 于物理元器件的限制，使得d c d c 变换器大都存在着调压范围小、抗干扰能力 差、电磁干扰( e m 【) 严重等缺点。 因此，研究出d c - d c 变换器的新型拓扑结构和新的控制策略对改善d c d c 变换器的性能具有很积极的意义。 1 2d c - d c 变换器的控制方法 1 2 1 现代控制方法 由于d c - d c 变换器是一个强非线性的对象，其模型的建立是相当困难的。 采用经典控制方法难以达到控制的要求，因此在经典控制理论发展阶段，d c d c 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 变换器的控制方式的发展是缓慢的。随着现代控制理论的发展和实现方法的改 进，在d c - d c 变换器控制方法的研究方面有了长足的进步，出现了许多新的控 制方法，它们都是以现代控制理论为基础，同时又有一部分采用了新的智能控制 方法，所有这一切都使d c d c 变换器的研究进入了一个崭新的阶段，下面将对 这些d c - d c 变换器的新的控制方法进行简要的介绍。 1 2 1 1 双线性理论 双线性理论属于非线性理论范畴，对于d c - d c 变换器这种非线性对象来说， 其双线性模型的标准形式可以写成( i - 1 ) 式的形式： 三o ) = 彳勘+ 玩知窆毫e 会 ( h ) s = l 式中：b i 为a 1 a 2 的行向量，而a l ，a 2 则分别为变换器在导通和关断期间 模型的状态转移矩阵。 对于传统的低频小信号线性化模型的状态方程为： 石( f ) = 血( f ) + 【( 4 4 ) r + ( 包一6 2 ) 以】d ( 1 2 ) 比较两式可以看出，双线性模型比低频小信号线性模型保留了一个非线性项，因 此具有更大的使用范围。 文献5 1 在双线性模型的基础上，应用l y a p u n o v 方法，采用状态反馈控制， 该控制系统对负载扰动具有较强的抗干扰能力，但没有考虑输入扰动，考虑输入 扰动时分析将十分复杂，因此改进不够。 1 2 1 2 滑模变结构控制 变结构控制系统的结构在整个控制过程中是不断变化的。这一点与开关变换 器的开关动作相似，因此可以考虑采用滑模变结构控制方式来进行d c - d c 变换 器的控制。 滑模变结构控制的基本思想就是利用d c d c 变换器在导通和关断期间状态 各不相同，通过合理的选择切换面，寻求一个控制集使系统在较短的时间内到达 切换面，并且满足渐进稳定的同时，具有良好的动态品质。其关键问题就是切换 面和控制集的选择，如果选择合理则可以获得良好的静态和动态特性，并具有对 外界扰动不变性的特点。 在d c d c 变换器的研究实例中，文献f 6 】中提出了一种滑模控制方式，并在 c u k 型d c d c 变换器中得到了较理想的应用；文献1 7 中介绍了一种应用变结构 3 天津大学硕士学位论文第一章绪论 实现d c - d c 变换器的控制的方法，它是将具有串并电容组合结构的开关电容网 络与传统c u k 变换器相结合，并采用变结构控制方法，令串并电容组合结构的 阶数随输入电压而变化，以确保c u k 型d c - d c 变换器在很宽的输入电压动态范 围内具有较高的转换效率，使d c d c 变换器的拓扑结构随输入电压的变化而变 化，从而解决了开关电容在d c d c 变换器中输入电压动态范围和转换效率之间 的矛盾，但其主要的缺点是开关频率不固定，输出纹波比较大，对滤波器的设计 要求较高，同时参数的选择和设计有一定难度。 1 2 1 3 自适应控制 传统的非自适应反馈控制器的设计依赖于电路的系统参数，当系统的模型参 数是不精确的或是变化的时候，传统的反馈控制效果不理想，甚至会导致系统性 能的恶化。而d c d c 变换器就是属于参数不断变化的这一类对象，因此可以考 虑采用自适应控制方式。自适应控制对系统参数的变化具有很强的自适应性，其 基本思想是按照“不确定性等价原理”，先按照理想情况设计，同时控制器参数 可以通过设计参数更新律实现在线可调，因此能同时保证稳定性和精确性的要 求，d c d c 变换器的自适应控制框图如图l l 所示。 图1 一l自适应控制框图 文献【8 】中基于状态空间平均模型给出了占空比合成器和参数更新律的表达 式。该参数更新律可以实时更新所有模型参数，在线调节占空比合成器的参数。 该系统对电路参数、输入电压和负载的扰动具有较好的抗干扰能力。但d c d c 变换器是高开关频率，实时性是实现的主要难点。 1 2 1 4 准积分函数控制d c - d c 变换器 文献【l o 】提出了利用准积分函数控制的d c d c 变换器，通过引入一个非线性 积分器，并采用等间隔反向线性复位法，强制被控开关量平均值在每个开关周期 中严格等于控制基准，彻底解决了因电力电子器件开关时间导致的开关误差。利 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用带自动积分限幅功能的控制器，在电感电流连续或不连续模式、以及临界状态 下，系统均能稳定可靠的工作。利用带双前馈补偿的控制器，变换器对负载扰动 能力显著改善。其控制原理图如l 一2 所示 图1 - - 2 准积分控制原理图 当恒定频率的时钟脉冲( c l o c k ) 上升沿到来时，触发器置位，同时驱动开 关s 导通，开关输出y ( t ) 等于输入信号x ( t ) ，y ( t ) 经采样电阻分压反向后变为v p ， 并通过积分器积分，积分器输出v l n l 从初值v f l 开始正方向线性增长。当v i i i l 达 到控制基准v 埘时，比较器输出翻转，触发器复位开关s 关断。关断信号同时控 制窄脉冲发生器产生复位信号，使积分器反向线性复位。该方案与单周控制的本 质区别在于，每个开关周期中积分器输出没有复位到零。但是其抗扰动的能力仍 然不是很强【3 0 1 1 3 ”。 总之，随着现代控制理论 2 6 1 的发展，出现了上述一些新的d c d c 变换器的 控制方法，但是现代控制理论虽然在理论上已经趋于成熟，但是其在实际应用中 却难于采用，而随着智能控制理论的产生，d c d c 变换器的智能控制方式又成 了一个新的研究课题。 1 2 2 智能控制方法【1 1 】【1 e 1 人工智能是用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计 算机来模拟人的智能的学科。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理 解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体 力行为的综合。人工智能的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而 智能控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个具有广泛应用前景 的研究领域。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，它是多门学科的高度集成。例如生命 科学、脑科学、人工智能、模糊集合理论、粗糙集理论、人工神经网络、进化理 天津大学硕士学位论文第一章绪论 论以及耗散结构论、混沌学等理论，都对智能控制理论的形成和发展起着重要作 用。广义上讲，模糊控制、人工神经网络、遗传算法、专家系统都属于智能控制 的范畴。 智能控制的研究领域是十分广泛的，从广义上讲，智能控制是研究复杂的具 有不确定性的被控制对象，并采用人工智能的方法有效地克服系统的不确定性， 使系统从无序到期望的有序状态的方法及其规律，这里的不确定对象可以是工业 上的某一个生产过程，也可以是社会经济系统：它的规模可以很大，但也可以是 很小的一个精密复杂的智能电子仪器等。正是因为智能控制研究的广泛性，而且 它也代表着目前控制理论的发展方向，因此很自然地会想到采用智能控制来实现 对d c - d c 变换器控制问题。 智能控制主要具有如下两个特点： ( 1 ) 以专家或熟练工作人员的知识为基础进行推理，用启发式来引导问题 求解过程。 7 ( 2 ) 对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划，采用符号信息 处理、启发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化结束，实现宏 知识问题的综合性求解。因此，可以认为智能控制是智能化、信息化自动控制系 统的主要控制方式，必将把自动控制理论推向一个更深化的崭新的阶段，并将取 得蓬勃发展和完善的应用效果。 1 3 本论文的研究内容与结构 1 3 1 论文研究内容 本论文在查阅大量资料并总结前人研究方法的基础上，提出了一种新型的降 压型d c d c 变换器，并运用模糊控制策略，使系统具有较强的抗扰动能力。研 究内容可归纳为以下几点： 1 在深入研究d c d c 变换器的前提下，针对现有的结构及控制方法，提出了 一种新的d c d c 变换器拓扑结构以及控制策略。 2 新结构由两部分组成，分别为主变换器部分和辅交换器部分，主变换器采用 模糊控制策略，在系统无扰动或较小扰动的时候工作。辅变换器在系统发生 强扰动的时候加入与主变换器一起工作。该结构及其控制方法具有模糊控制 不用建立复杂数学模型，控制方法简单的优点，同时也能使得开关变换器的 输出电压，在负载和电源电压干扰下，具有优良的动态响应。 3 使用m a t l a b 对系统的结构和控制策略的可行性进行了仿真。并通过d s p 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 提供实验所需的p w m 信号，进一步验证了结构和控制策略的正确性、优 越性。 1 3 2 论文结构 本文一共分为六章，各章内容概述如下： 第一章为论文的绪论部分，简要介绍了前人已做的研究工作及成果和作者 在该课题所要做的工作；第二章为新结构d c d c 变换器的研究，简要介绍了传 统b u c k 变换器的结构和工作方式，以及它的弊端，在此基础上提出并分析了本 文中的新结构降压变换器的结构及工作方式。第三章为d c - d c 变换器控制方法 的研究，简要介绍了模糊控制的基本理论，以及模糊控制器的设计方法，并详 细介绍了本文模糊控制器的设计。第四章为仿真分析，介绍了仿真的分析过程 和分析结果，证明了新结构及其控制策略的正确性和优越性。第五章为实验分 析及结果，用实验证明了结构的正确性和优越性。第六章为结束语部分，对论 文的工作进行了总结。 7 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c i ) c 变换器的研究 第二章新结构d c - d c 变换器的研究 2 1 基本的b u c k 变换器 2 1 1 电路组成【1 】【1 3 1 图2 1 是基本的b u c k 变换器结构图，由以占空比d 工作的晶体管t r 、二 极管d 1 、电感l 、电容c 组成的b u c k 变换器电路图。电路完成把直流电压v s 转换成直流电压v o 的功能。 i￥ i i i d l l宁i 弋 v 。 l j 2 1 2 工作原理 图2 1b u c k 变换器电路 广 i rv o 1 、为分析稳态特性，简化推导公式的过程，作如下几点假定： ( 1 ) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间地“导通”和“截止”， 而且导通时压降为零，“截止”时电流为零。 ( 2 ) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电 容的等效串联电阻为零。 。 ( 3 ) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 2 、工作过程 当晶体管t r 导通时，有图2 2 ( a ) 所示的电流i s = i l 流过电感线圈l ，在 电感线圈未饱和前，电流线性增加，在负载r 上流过电流i o ，两端输出电压v o ， 极性上正下负。当i s i o 时，电容在充电状态。这时二极管d 1 承受反向电压；当 晶体管t r 断开时，电路如图2 2 ( b ) 所示，由于线圈中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持其电流i l 不变。负载r 两端电压仍是上正下负。在i l 1 0 时，电容处在放电状态，有利于维持1 0 、v o 不变。这时二极管d 1 承受正向偏压 8 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c d c 变换器的研究 为电流i l 构成通路，故称d l 为续流二极管。由于变换器输出电压v o 小于电源电 压v s ，故称它为降压变换器。工作中输入电流i 。，在晶体管导通时，i 户o ，晶体 管断开时i s = o ，故i s 是脉动的，但输出电流i o ，在l 、d l 、c 作用下却是连续 的、平稳的。 v l 图2 3 ( a )电感电流连续图2 3 ( b )电感电流不连续 当电感电流为连续模式时，在图2 3 ( a ) 中，设开关周期为t s ，闭合时间 9 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c - d c 变换器的研究 为t l = d l t s ，断开时间为t 2 - t l = d 2 t s ；d l 1 ，称d l 为接通时间占空比，体现了开 关接通时间占周期的百分值，d 2 i ，称d 2 为断开时间的占空比，体现了开关断 开时间占周期的百分值。根据前面假定，很明显有d 1 + d 2 = i 。 在输入输出不变的前提下，当开关管导通时，波形如图2 - - 3 ( a ) 所示，电 感电流线性上升，其增量为： i l l - - - - 挚= 半f l = 半d 1 z c 2 叫 式中i 。电流增量( a ) o v s 输入电源电压( v ) ； v 0 - 输出电压( v ) ； i 电感( h ) ： t s 开关周期( s ) ； d i 开关接通占空比； 当开关管断开时，i 。电流增量为： 屹= 聘饥= 铷一t 1 ) = 争昭( 2 - - 2 ) 由于稳态时两个电流变化量相等，所以： 半d 。t = 争 ( z - 3 ) 又因为d ，+ d ：= 1 ，整理得： vo=dl(2-4) 上式表明，输出电压v o 随占空比d 。而变化，由于d l l ，故v 0 v s ，v 0 v s 是 电压增益，表示为m ，在这种模式下m = d 。 用同样方法可推出电感电流在不连续模式下时的输出电压： = 意瓷_ ( 2 5 ) 式中d ：为晶体管断开时，二极管的导通占空比，但是上式中d 。+ d 。的值并不 等于1 ，从图2 3 ( b ) 中可以看出，从电感电流下降到零到下一个周期开始还 有一段时间。 电感电流不连续模式下，电压增益为： m ：生：垒( 2 6 ) v | d l + d 1 1 0 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c - i x ；变换器的研究 2 2 基本结构b u c k 变换器的弊端 2 2 1 交换器的输出特性 1 4 l 【1 7 1 1 2 1 j 近年来，随着微处理技术和d s p 的发展，对电源的要求也越来越高，要求 电源能够提供严格的电压和电流 2 2 1 2 4 。通常来说，设计用于微处理和d s p 的电 源要符合以下条件： ( 1 ) 低电压输出：1 v 一3 3 v ( 2 ) 输出电压波动：电 ( 3 ) 高负载电流：1 a - - 6 0 a ( 4 ) 减小变换器体积及提高它的效率 由于负载的扰动，变换器的输出电压可能发生大的波动，直接导致输出电压 的不稳定，从图2 4 中可见，当电流发生阶越时，输出电压发生一定的波动， 对于精度要求高的微处理器等器件，这可能直接导致系统的瘫痪，带来严重的后 果，所以要通过各种方法来抑制扰动，使输出电压在最短的时间内恢复到允许波 动范围内。图中，t l - t 2 时刻输出电压超出允许波动范围，u 为电压允许波动范 围，t l - t 2 为电压恢复时间。 f i o i i ； bh t 2 i l 缸 图2 4 输出电压和电流的波动 系统的输出电压在负载或电源电压发生扰动时，电压纹波的大小，以及从发 生扰动到恢复稳态值所需的时间的长短，是衡量一个变换器好坏的标准之一。而 传统结构的b u c k 变换器在这两个方面做的都不是很好。 2 2 2 固定脉冲b u c k 交换器的弊端 所谓固定脉冲的b u c k 变换器就是给变换器中的开关元件一个固定频率的脉 冲，使变换器在恒频、恒占空比下工作【1 5 】【1 6 1 。这种变换器只能在系统无扰动的 情况下工作，一旦系统输入电压或者所带负载发生变化，其输出电压也会立即随 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c - d c 变换器的研究 之变化，系统没有抗干扰的能力，其发生扰动时的输出电压波形如图2 5 所示。 0 0 0 4 ( 1 0 0 66 0 0 6a mn 们2 o 们4 d 卅6o o l 8 图2 5 ( a ) 电源扰动时输出电压波形图2 5 ( b ) 负载扰动时输出电压波形 图2 5 ( a ) 是电源电压由2 0 v 跳变为3 0 v 时输出电压v 。的波形，由图可以 看出，当电源电压发生突变时，输出电压也随之发生突变，而且无法恢复到原来 所需的电压值。 。 图2 5 ( b ) 是负载电阻由1 0 c 2 跳变为5 q 时的输出电压波形图，由图可以 看出，当负载发生扰动时，输出电压也将发生突变，而且也无法恢复到原来所需 的电压值。 所以这种形式的变换器抗干扰能力差，使用范围非常窄，所以随之引出了反 馈控制的降压变换器。 2 2 3 传统反馈控制的b u c k 变换器的弊端 采用反馈控制的降压变换器的优点就是能使输出电压在系统有扰动的情况 下仍然能够迅速恢复到基准电压的值，系统动态性能比较好【1 8 】 1 9 1 【2 0 1 。现在最常 用的就是p w m ( 脉宽调制技术) 控制，其控制的基本原理如下图2 6 所示。 图2 6p w m 控制原理图 号 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c - d c 变换器的研究 控制的原理就是，输出电压v o 经过采样后输入到误差放大器中，与基准电 压v 备进行比较，输出误差放大信号，将误差放大信号输入到p w m 发生器中， p w m 发生器的另一个输入为锯齿载波也就是调制波，其频率固定，p w m 将误 差放大信号与载波信号进行比较，输出固定频率的开关控制信号。这种控制方法 的优势就是总能使输出电压v o 等于基准电压v 耐。 采用p w m 控制的降压变换器嘲【2 5 】嘲在电源和负载发生扰动时的波形如图2 7 所示。 图2 7 ( a ) 电源扰动时输出电压波形图2 7 ( b ) 负载扰动时输出电压波形 图2 7 ( a ) 为运用p w m 控制时，电源电压由2 0 v 跳变到3 0 v 时的输出电压 波形，由波形可看出，输出电压虽然在扰动发生时会发生波动，但是经过一定时 间仍然能恢复到基准电压值。 图2 7 ( b ) 为运用p w m 控制时，负载电阻由1 0 q 跳变到5 q 时的输出电压 波形，由波形可看出，输出电压虽然在扰动发生时会发生波动，但是经过一定时 间仍然能恢复到基准电压值。 但是，这种控制方法的弊端就是，当电源或负载发生扰动时，电压波动较大， 而且需要的恢复时间长，在一些精度要求高的场合，这种结构和控制方法的降压 变换器还是无法满足要求。基于这一点，本文在原有结构变换器的基础上提出了 一种新型的降压变换器拓扑结构，并采用模糊控制策略【3 5 j 3 7 】1 3 扪，使得系统在电 源电压和负载发生扰动时，输出电压波动非常小，而且需要很短的恢复时间。 2 3新结构降压变换器的提出【2 2 】 本文在基本b u c k 变换器的基础上提出了一种新型的降压变换器结构，其基 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c d c 变换器的研究 本的思想就是，在基本b u c k 变换器基础上并上一个辅变换器，其结构框图如图 2 8 所示。 广一辅变换器l 电源 负载 i 主变换器i 图2 8 新结构框图 系统一共分为四部分，分别为电源、负载、主变换器、辅变换器，其中主变 换器的设计主要用于系统工作在无扰动或微扰动状态，此时系统具有很好的稳态 响应和很小的电压纹波，但是当系统发生较大扰动时，主变换器将无法满足要求， 其输出电压波动较大，而且恢复时间较长，此时辅变换器将加入工作，来弥补主 变换器的不足，辅变换器的作用就是在系统有大扰动时，能使输出电压波动较小， 而且能迅速恢复基准电压值。 新结构的电路如图2 9 所示。 图2 9 新结构电路图 在上图中，虚线以下为主变换器部分，主变换器部分有两个功率开关m 1 、 m 2 ，通过控制电路的输出信号来实现通断。控制电路采用反馈型控制，其输入 为输出电压与基准电压v r e f 的误差值，通过一定的控制策略，如：模糊控制、 1 4 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c - d c 变换器的研究 神经网络控制、线性控制等实现p w m 信号的输出，并通过驱动器来产生m 1 、 m 2 的控制信号，实现通断，且m 1 、m 2 的通断方式相反。本文采用的是模糊控 制策略来输出开关管m 1 的占空比，并通过驱动器来输出m 1 和m 2 的控制信号， 其优点就是不用建立复杂的数学模型，不用进行复杂的数学推导，而且设计方法 简单，控制效果比较好。 虚线以上为辅变换器部分，同样也有两个功率开关m 3 、m 4 ，通过两个比较 器来实现通断。比较器的输入分别为基准电压v 1 ，v 2 ，和v o ，通过比较v o 与 基准值的大小来输出m 3 、m 4 的控制信号。 由于辅变换器主要是使系统能在大扰动时迅速恢复稳定，所以辅变换器中电 感l 2 的值应该比主变换器中电感l 1 的值要小得多，本文电感l 2 的值为l 1 的 】l o 。 2 4 新结构降压变换器的工作方式 系统的工作原理如图2 1 0 所示。系统分为三种工作状态，分别为：0 - t l 、 t 2 彤、“为状态i ，t 1 t 2 为状态h ，t 3 - t 4 为状态r i 。 输出电流 输出电压 m 1 占空比 m 3 开关信号 m 4 开关信号 l 2 电t 托 + i 1 1i 1 1 ii 图2 1 0 系统工作原理图 1 5 噩蚪斟 天津大学硕士学位论文第二章 新结构d c d c 变换器的研究 气产= 鲁d ：l c 2 吲 r 图2 1 1 等效电路 此模式下，输出电流变化量： ，o = l 1 + 2 电感l 1 上电流的变化量： 1 6 ( 2 一1 1 ) 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c d c 变换器的研究 屯，= j 半d r ( 2 - - 1 2 ， 电感l 2 上电流的变化量： 屹= t 气产出 c z 邗， 而采用传统变换器结构在此模式下电感电流的变化量 阮= 等产出( 2 - - 1 4 ， 而两种结构下输出电流的变化量是一样的，即： f z 丘生盟d f + f t 2 譬坠塑疵：p 生生塑d f ( 2 - - 1 5 ) 3 t t l 、 3 t 、l 23 t 1 l 1 由上式可判断，必有乞 v 1 时，系统发生较大扰动，辅变换器也加入工作，驱动器给m 1 、 m 3 的信号为0 ，m 2 、m 4 的信号为1 ，强制m 1 、m 3 断开，m 2 、m 4 导通。 亩到系统恢笤稳定回到工作状杰i 。等效电路如图2 1 2 。 r 图2 1 2 等效电路 此模式下，输出电流变化量： a i o = a i 1 + a i 2 电感l l 上电流的变化量： 她。= 乓导d r 电感l l 上电流的变化量： 蝇：= 乓警d r 1 7 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 天津大学硕士学位论文第二章新结构d c d c 变换器的研究 而采用原始变换器结构在此模式下电感电流的变化量： 虬。= 掣d f ( 2 _ 1 9 ) 而此模式下两种结构输出电流的变化量是一样的，且都有，。 0 ，即： f ：喜掣巩一f ：塑西：当盟出( 2 - - 2 0 ) o 三1 j t 。l 2jl1 由上式可判断，必有t 2 - 0 5 e 一1 - 1 e 0 或e - 1 1 e 一o 5 - 0 5 e 0 5 或e - 0 5 - 0 5 e 0 ( 3 - - 1 1 ) o e 1 或e 0 o e 0 5 0 5 e 1 e 0 5 c c 的隶属函数与e 形式一样。这些值的选定，都是根据以往经验，以及在对 d c d c 变换器特性了解的情况下根据仿真和实验尝试一步步得到的。 ( 3 ) 设计控制规则库 根据控制变换器经验，确定m 1 的占空比变化规律 3 7 1 为： 1 1 当输出电压v 0 远离控制基准v r e f 时，占空比的变化量必须很大，以使v o 快速达到基准电压 2 ) 当输出电压v o 大于控制基准v r 盯时，占空比的变化量应该是负数，反之亦 然。 3 ) 当输出电压v o 接近v r e f 时，如果变化率c e 基本稳定，则占空比可维持不 变；如果变化率c e 很快，则占空比向相反方向改变，以防超调。 由这些控制规律和试验结果，可得到模糊控制器的2 5 条控制规则，规则矩 阵如下表3 1 所示。 tl-1 + p p 2 0 2 一 ，、 )b一3( ip l 5 p 0 i p o l 2 ，【 天津大学硕士学位论文第三章变换器控制方法的研究 表3 1 模糊控制规则表 c en bn s扼p s p b e p b - o 3 0 - o 3 5 o 4 5- 0 6 5l 0 0 p so 0 0- o 1 0- o 2 0o 3 50 5 0 珏o 2 00 1 00 0 00 1 0- o 2 0 n s0 5 0o - 3 5o 2 0o 1 0o o o n b 1 0 0 o 6 50 4 5o 3 5o 3 0 根据上表可看出其模糊规则为： 1 、i f e i s p ba n dc e i s n b t h e n c i i s 加3 0 。 2 、i f e i s p sa n dc e i s n s t 髓n c i i s _ o 3 5 。 3 、i f e i s z ea n dc e i s z e t h e n c i i s 旬4 5 。 4 、i f e i s n sa n d c c i s p s t h e n c i i s o 6 5 。 5 、i f e i s n ba n dc e i s p b t h e n c i i s 一1 o o 。 6 、i f e i s p ba n dc e i s n b 1 1 e n c i i s o o o 。 7 、i f e i s p sa n dc e i s n s 田旺强q c i i s 0 1 0 。 8 、 i fe i s z ea n d c e i s z e 1 i e n c i i s - o 2 0 。 9 、 i fe i s n sa n dc e i s p s t h e n c i i s 卸3 5 。 1 0 、i fe i s n ba n dc e i s p b t h e n c i i s - o 5 0 。 1 1 、 i fe i s p ba n dc e i s n b 1 1 e n c i i s o 2 0 。 1 2 、礤e i s p sa n d c e i s n s t h e n c i i s o 1 0 。 1 3 、 i fe i s z e a n dc e i s z e t h e n c i i s o o o 。 1 4 、i f e i s n sa n dc e i s p s t h e n c i i s - o 1 0 。 1 5 、 i fe i s n ba n dc e i s p b t h e n c i i s _ o 2 0 。 1 6 、 i fe i s p ba n dc e i s n b n e n c i i s 0 5 0 。 1 7 、i fe i s p sa n dc e i s n s t h e n c i i s o - 3 5 。 1 8 、i fe i s z ea n dc e i s z e n e n c i i s o 2 0 。 1 9 、 i fe i s n sa n d c e i s p s t h e n c i i s 0 1 0 。 2 0 、 i fe i s n ba n dc e i s p b t h e n c i i s o 0 0 。 2 1 、 i fe i s p ba n dc e i s n b t h e n c i i s l 0 0 。 2 2 、i fe i s p sa n dc e i s n s t h e n c i i s 0 6 5 。 天津大学硕士学位论文第三章变换器控制方法的研究 2 3 、i f e i s z ea n d c e i s z e t h e n c i i s0 4 5o 2 4 、i f e i s n s a n d i s p s t h e n c i i s 0 3 5 。 2 5 、i f e i s n b a n d c e i s p b t h e n c i i s 0 3 0 。 式中c i 为对应每个模糊集的权值，即表中的值。 ( 4 ) 模糊化和解模糊 本文模糊推理采用马丹尼模糊推理法，即： 令z f = m i n m e ( p ) ，m c p ( c p ) ) c f = w f c f ( 3 - - 1 4 ) 由于每一组e 与c e 的值都可能对应着多个模糊集，所以可能有一条或多条规则 与其对应。比如当e = 0 1 ，c e = - 0 7 对应的模糊集为( z e ，n s ) ，( z e ，n b ) ，( p s ， n s ) ，( p s ，n b ) 4 个，既有四条对应的规则，那么n = 4 ，也就有四个相应的i 、 c i 值，如下图3 6 所示。 c a 图3 6 模糊推理 图中实线与e 或者c e 的交点处的值为所对应的( ) i 值，一共四个值。运用加权平 均法，将对应的i 、c i 值分别代入下式( 3 1 2 ) 进行解模糊，得开关m 】占空 比的变化量： 天津大学硕士学位论文第三章变换器控制方法的研究 q + c ， 6 以= _ 矿一( 3 - - 1