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开关电源的协同控制理论及脉宽调制应用技术研究

王前  
【摘要】:本文致力于开关电源的协同控制理论及脉宽调制技术应用研究。前者着重于理论分析,后者研究实用技术。文中,研究了协同控制的理论、技术及设计方法,目的在于提高变换器对外部扰动和内部参数不确定因素的鲁棒性,寻求一种实用化的开关变换器控制方法。另外,针对绿色环保光源LED开关恒流驱动中体现在数码设备上的高频闪烁现象,从电路设计和调制策略两方面改进现有开关恒流电路,提出并实现了行之有效的解决方案。本文的主要贡献如下: (1)定量分析了协同控制方法的收敛速度、流形存在性;得出扰动满足一定的匹配条件时可以实现协同控制对外部扰动和内部参数变化的鲁棒性,为协同控制方法具有全局稳定性和较强鲁棒性提供了理论根据。讨论了Boost变换器带恒功率负载的协同控制器的设计问题,给出了该闭环系统小信号和大信号的稳定条件。仿真验证了该协同控制器能使系统渐近稳定在目标工作点上,并对负载变化和负载功率扰动具有较强的鲁棒性,进一步证实了理论分析结果。 (2)归纳出离散协同控制方法的一般形式;利用滑模控制和协同控制的相似性以及变结构理论的观点,分析了离散协同控制方法的收敛速度、流形存在条件、流形到达条件及内部参数扰动和外部干扰下的鲁棒性,得出扰动的充分条件。讨论了Buck变换器的离散协同控制器的设计方法,在Simulink平台验证了其对负载和输入电压变化的鲁棒性。 (3)从宏变量的定义和控制参数的设置两个方面,对连续协同控制方法和离散协同控制方法进行改进,并在Simulink平台验证改进效果。完成了连续协同控制方法和离散协同控制方法分别与传统比例积分微分控制在负载变化和电路参数变化时的比较,进一步证实了协同控制的优越性。 (4)提出了一种负载端无反馈的开关恒流源电路和一种简单实用的向功率管提供高频平均脉宽调制信号的方法。现有的绿色光源LED的开关恒流驱动中的PWM调光技术是一种二级调光控制技术,在负载LED上得到的是一个具有很多谐波成分的低频矩形波,由此产生体现在数码设备上的高频闪烁现象,而实际应用中难以对此低频波进行滤波。文中提出的负载端无反馈的开关恒流源电路,通过将电流反馈采样设置在DC-DC降压电路的开关管处,去掉了输出末端(即负载LED端)的反馈采样,使在负载LED端可以进行高频滤波得到一个直流电流,因此从电路设计上使得消除高频闪烁成为可能。从滤波的角度出发,提出一种简单实用的向功率管提供高频平均脉宽调制信号的方法,通过在整段时间内平均分布PWM脉冲,进而生成高频平均PWM信号以驱动相应的功率管,再通过滤波电容对负载LED端进行高频滤波。这样,在负载LED上得到一个谐波扰动很小的直流电流,从而从根本上解决负载LED高频闪烁的问题。


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