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DC-DC开关变换器的滑模变结构控制方法及混沌状态研究

周宇飞  
【摘要】: 本文重点对DC-DC开关变换器的滑模变结构控制方法及混沌状态进行研究。 1.滑模变结构控制方法研究(第三、四章) (1)本文首先对DC-DC开关变换器中各种线性和非线性控制方法进行了回顾(第二章),讨论了滑模变结构控制方法的优越性,并指出现有相关文献仅研究了滑模变结构控制方法在DC-DC开关变换器中的一些应用实例(一般只是针对某一种或几种变换器拓扑),并没有讨论统一综合设计方法,且其控制效果也有待进一步改善。鉴于此,本文第三章对四种硬开关变换器(Buck、Boost、Buck- Boost、Cuk变换器)的滑模变结构控制进行了研究,提出了DC-DC开关变换器的时变滑模控制,该控制方法是一种统一的闭环控制综合方法,不仅适合四种基本的硬开关变换器,而且也可推广到其它双线性开关网络。另外,由于四种硬开关变换器的电路结构不同,在应用时变滑模控制方法时,具有不同的特征和优势,如快速启动特性与跟踪特性、鲁棒响应特性等,甚至能够满足变结构原理中的匹配条件而具有完全不变性。 (2)将滑模变结构控制引入到移相控制全桥零电压开关变换器的闭环控制设计中。移相控制全桥零电压开关变换器适用于中、大功率的应用场合,其开关过程损耗较小,开关频率可达几百千赫,因而系统效率有显著的提高。但该变换器主电路有四个开关管,电路结构较为复杂,其控制方法的研究较为困难,为了将滑模变结构控制这一优越的控制方法引入到移相控制全桥零电压开关变换器,本文第四章对移相控制全桥零电压开关变换器的电路结构及运作过程进行了详细分析,根据该变换器与Buck变换器的等效关系,提出将滑模变结构控制引入到移相控制全桥零电压开关变换器中的方法,并获得了较为理想的控制结果。 2.混沌状态研究(第六至第八章) (1)混沌只能产生于三阶以上(含三阶)的自治系统中,因而对四种基本硬开关(非PWM)变换器,只有自治的(不显含时间t)Cuk变换器可以产生混沌,本文第六章讨论了Cuk变换器的一种滑模变结构控制系统(延迟电流模式控制Cuk变换器),通过等效控制法建立其切换面上的滑模运动方程,并对1周期轨道的稳定性进行了定性研究,证实1周期轨道失稳的过程是一霍普分叉过程,同时还分析了各种电路参数(如电容、电感及负载)对1周期轨道稳定性的影响。对于霍普分叉之后变换器的运作,则采取数值仿真的办法,详细描述其中的各种周期、准周期和混沌状态。 (2)提出可将参数共振微扰法应用于DC-DC开关变换器的混沌控制(第七章),并分析其中的优势与存在的不足,从而针对不足之处提出了基于Logistic映射的参数共振微扰法(第八章),利用周期正弦信号对参数进行扰动,并附加基于Logistic映射的调制项,可将混沌工作的变换器控制到各种周期态,并可实现各周期态之间的快速切换。另外,基于和混沌控制同样的思路,第八章中还提出了对周期工作的变换器进行混沌化的方案,以实现变换器的鲁棒混沌态,改善电磁干扰问题。 本文所有工作都进行了数值仿真或电路仿真,并对第三章中提出的时变滑模控制方法作了一些实验研究,获得了与理论分析及电路仿真相一致的结果,证明了该方法的可行性。 本论文工作属于导师主持的广东省自然科学基金(990585)和国家教委高校博士点学科专项基金(00056107)资助项目的部分内容。


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