- 頭條渤海大學科研人員提出定頻Buck數字電源的改進設計方法2021-11-03 作者：侯元祥 巫慶輝 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：1098導語為了解決Buck型數字電源在大的動態負載范圍下存在輸出電壓超調、誤差收斂慢的問題，渤海大學控制科學與工程學院的研究人員侯元祥、巫慶輝、蔡健哲，在2021年第5期《電氣技術》上撰文，提出二階滑模控制器與線性跟蹤微分器相結合的方法。相比于傳統的滑模控制器，改進后的二階滑模控制器具有更強的魯棒性，動態性能更好，具有較高的實際應用價值。
隨著電源領域及微機控制技術的高速發展，數字電源受到了越來越多人的關注，數字控制具有靈活、基準調節簡單、精度高等優勢，正逐漸取代傳統模擬控制。數字電源的工作點不定，對輸出的瞬態響應要求比較高，常規線性控制器是基于小信號模型設計的，被控變換器只有在特定條件下才能工作在最優狀態，因而對于工作范圍較寬的數字電源，無法利用傳統的局部線性化方法進行控制器設計。
滑模控制通常具有出色的大信號處理能力，將其應用在DC-DC變換器中，可以使電力電子變換器在更大的工作范圍內具備較高的性能。
滑模控制在DC-DC變換器中的首次應用出現于1983年Bilalovic等人發表的文獻中，作者論證了在降壓變換器（Buck）中使用滑模控制的可行性，隨后的30多年，該領域得到了長足發展。目前該領域主要可分為兩個大方向：可變頻率控制與固定頻率等效脈沖寬度調制（pulse width modulation, PWM）控制。
理想滑模控制器需要工作在無窮大頻率處，因而可變頻率滑模控制器更加易于實現，其中具有代表性的方法有滯環滑模控制器、電壓電流混合滑模控制器、分數階滑模控制器等，但由于開關頻率不固定，變換器中儲能電感與濾波電容的參數選取比較困難，且很難解決印制電路板（printed circuit board, PCB）設計中的電磁干擾、高次諧波吸收問題。
為了解決上述問題，有學者提出了定頻滑模控制器，其中包括自適應滯環滑模控制器、PWM等效滑模控制器、定頻模糊邏輯滑模控制器等。此類控制器嚴格意義上屬于間接滑模控制器，滑模控制律最終會等效為功率器件的占空比。該方法解決了開關頻率不固定的問題，但等效控制概念的引入降低了滑模控制器魯棒性和調節性能。有學者提出了具有積分項及二重積分項的滑模控制器，進一步提高了間接滑模控制器的穩態性能，并給出了在Buck變換器中的仿真結果。
為了進一步提高控制器動態性能、減小系統超調，渤海大學控制科學與工程學院的研究人員針對同步Buck型寬工作范圍數控降壓電源，提出了一種二階滑模控制器，其滑模面由電壓誤差、電壓誤差一階導數、電壓誤差二階導數、電壓誤差積分構成，并搭建了樣機進行算法驗證。實驗結果表明，與傳統一階滑模控制器相比，二階滑模控制器動態性能更好，解決了控制器的快速性與超調量之間的矛盾。
圖1 改進Buck電路二階滑模控制器框圖
此外，研究人員還引入了跟蹤微分器的概念，用于獲得輸出電壓的各階導數信息，節省了額外的電流傳感器，解決了傳統微分器對于采樣噪聲敏感的問題，具有較高的實際應用價值。值得注意的是，滑模控制及跟蹤微分器便于離散控制，對于數字控制系統比較友好，對于模擬控制系統則實現起來較為復雜。
本文編自《電氣技術》，作者為侯元祥、巫慶輝 等，論文標題為“基于二階滑模控制的定頻Buck數字電源設計”。
