基于VISSIM的BUCK變換器滑模控制

    楊國超，紀志成

    (江南大學，江蘇無錫214122)

    摘要：根據Dc／Dc變換器的基本原理，基于V1ssIM建立了BucK變換器的仿真模型，采用雙滑模面控制方法，內環滑模面用于電流控制環，外環滑模面用于電壓控制環，并將仿真結果與PI控制方式相比較。仿真結果表明了滑模控制的優越性，為研究BucK變換器的滑模控制提供了新方法，也為進一步研究其它Dc／Dc變換器的滑模控制提供了新思路。

O引  言

    Dc／Dc變換器分為PwM型和諧振型。本文采用PwM型BucK變換器，即通過改變占空比來調節變換器。

    目前，對于BucK變換器的閉環控制方法，主要有電壓型和電流型。電壓型采用輸出電壓單環控制，而電流型采用電感電流和輸出電壓雙環控制，能從電路中獲得更多的信息，控制效果較好。

    對于電流型雙環控制，可用的控制器很多，最基本的有PI控制器、模糊控制器、滑模控制器。在這三種控制器中，PI控制器結構******，但受外界擾動影響較大；模糊控制器需設計模糊規則表，結構復雜；滑模控制具有很強的魯棒性，幾乎不受外界擾動的影響，控制效果好，而E}控制器設計相對模糊控制較簡單。

    而對于BucK變換器的滑模控制，一般分為時不變和時變兩種滑模面。其中，時變滑模面是將變換器參數的變化引入到切換面，根據變換器參數的變化不斷修正切換面，結構較復雜；而時不變滑模面需在設計時確定滑模面的系數。

    綜合比較各種控制方法，本文采用時不變滑模面的控制方法。VIssIM是一種功能強大的電力電子和自動控制建模和仿真軟件，該軟件能夠提供友好的用戶界面，并包含有豐富的控制元件庫和強大的數學運算模型，還可將其它仿真軟件中的元器件容易地轉化為通用數學模型，更能夠與c++、DsP和集成的Matlah模塊共享。通過用VIssIM建立BucK變換器的滑模控制模型，可將滑模控制引入電力電子開關控制領域，為實際開關控制的設計提供了新思路。

1 BuCK變換器的數學模型

BucK變換器原理圖如圖l所示。

取電感電流i和電容電壓v為狀態變量，應用KvL和KcL(基爾霍夫電壓和電流定律)，可得開關管導通時的微分方程：

同理，可得出開關管關斷時的微分方程為：

式(I)、式(2)合并可表示為：

式中：Vs為電源電壓，L為電感值，c為電容值，R為電阻值，f為開關頻率，u為控制率，u=l時，開關管開通；u=O時，開關管關斷。

    通過轉換并用標準化方法τ=ft，可得如下模型：

2雙閉環控制

    圖2為BucK變換器電流型雙閉環控制原理圖，BucK變換器的輸出電壓參考值與實際值的偏差通過電壓控制器得到電感電流的期望值，該值經過電流控制器與電感電流實際值相比較產生誤差值，再通過開關控制器產生BucK變換器開關管的控制信號，調節電感電流和輸出電壓值，最終使電感電流和輸出電壓值均趨于穩態值。

在傳統的電流型雙閉環控制中，電壓控制器采用PI或PID調節器，電流控制器即為一個減法器和增益環節。開關控制器一般選擇PwM或滯環控制器。

  3滑模控制

  20世紀60年代，前蘇聯學者s．V．Emelvanov，v．I．utkin等提出了變結構控制(以下簡稱Vsc)方法，Vsc與常規控制系統的不同之處在于系統的“結構”可以在瞬變過程中，根據系統當前的狀態(偏差及其各階導數等)，以躍變方式，有目的的變化，迫使系統沿預定的滑動模態運動。由于其滑動模態具有對干擾與攝動的不變性，這使得Vsc具有快速響應、對參數及外界擾動不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點，20世紀80年代以后逐漸受到重視。

一般的滑模控制包括滑模面設計和控制率設計兩部分，但對于BucK變換器，其控制率u只能取0或l，故對其滑模控制設計主要集中在滑模面設計上，而對于滑模面設計，有單滑模面0和雙滑模面兩種方法，用單滑模面方法波形會有較大的