基于整數(shù)階PI無源控制的Boost變換器研究

吳朝俊，閆 開，劉 璋，楊寧寧

(1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

Boost型DC-DC變換器由于具有快速實(shí)現(xiàn)升壓變換的功能，因此被廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)和電力電子領(lǐng)域[1]。Boost變換器通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)整數(shù)階PI控制策略，雙閉環(huán)整數(shù)階PI控制由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，被應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)中[2-3]。

但針對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、電子元器件參數(shù)變化等問題，雙閉環(huán)整數(shù)階PI控制的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)控制性能不佳。為了快速提升Boost型DC-DC變換器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制性能，研究學(xué)者采用了大量的非線性控制策略，以期提高該變換器的控制性能。常用的非線性控制策略包括滑?？刂?、協(xié)同控制和無源控制等。文獻(xiàn)[4-5]講述了在滑?？刂频幕A(chǔ)上，引入了PI控制，其控制策略的優(yōu)點(diǎn)是使系統(tǒng)具有更好的魯棒性且極大地抑制了電感電流的超調(diào)，其缺點(diǎn)為系統(tǒng)存在較明顯的輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)[6]提出了協(xié)同無源控制，其控制策略在一定程度上減少了系統(tǒng)電感電流的超調(diào)，其缺點(diǎn)是控制策略復(fù)雜。為了提高變換器的控制性能，將無源控制應(yīng)用于各類工程問題中，無源控制的理論依據(jù)是能量耗散原理。該理論是將被控系統(tǒng)能量互換于控制器，從而靈活地調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)的阻尼，以期降低系統(tǒng)的瞬態(tài)超調(diào)量[7]。

為此，對(duì)DC-DC變換器的控制而言，為了實(shí)現(xiàn)其在負(fù)載擾動(dòng)和電感參數(shù)改變條件下，系統(tǒng)能快速地穩(wěn)定到期望平衡點(diǎn)，本文采用Boost變換器作為控制對(duì)象，將無源控制和整數(shù)階PI控制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，在負(fù)載擾動(dòng)和系統(tǒng)阻尼參數(shù)改變的條件下，對(duì)整數(shù)階PI無源控制進(jìn)行了研究，并將其控制性能和無源控制性能進(jìn)行了對(duì)比。最后，通過仿真和電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的硬件可行性。

1 Boost變換器的無源性分析

Boost變換器的主電路如圖1所示，由全控型器件V、電容器C及二極管D組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug=1(高電平)時(shí)，V導(dǎo)通，電感L存儲(chǔ)磁場(chǎng)能，D關(guān)斷，電容C向負(fù)載R放電；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug=0(低電平)時(shí)，V關(guān)斷，D導(dǎo)通，負(fù)載電阻R和電容C由電源和電感L共同供電。

圖1 Boost型直流/直流變換器

2 整數(shù)階PI無源控制器設(shè)計(jì)

2.1 整數(shù)階PI無源控制律

2.2 無源PI控制器分析

3 不同控制策略下Boost變換器的仿真分析

Boost變換器主電路的參數(shù)如表1所示。

通過對(duì)無源控制和整數(shù)階PI無源控制進(jìn)行深入的分析可知，假設(shè)無源控制的阻尼為αa1，其控制性能和比例系數(shù)KP對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是一致的，但KP無法從根本上消除整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，且KP超過一定的范圍后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或振蕩的問題。而整數(shù)階PI控制中積分系數(shù)KI能有效調(diào)整系統(tǒng)的超調(diào)量，提高其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，因此，為了實(shí)現(xiàn)iL追蹤到iL*，引入整數(shù)階PI控制中的積分系數(shù)KI作為附加控制因子，采用了整數(shù)階PI無源控制策略。文獻(xiàn)[10-11]選用Cohen-Coon法整定控制系統(tǒng)PI控制器參數(shù)，代入已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)，得出系統(tǒng)阻尼條件下整數(shù)階PI無源控制器的KP、KI值。無源控制和整數(shù)階PI無源控制策略下系統(tǒng)阻尼改變和PI參數(shù)動(dòng)態(tài)比較如圖2所示。由圖2可知，相比無源控制，整數(shù)階PI無源控制的電感電流能夠快速地追蹤到期望電感電流1.6 A且具有較強(qiáng)的魯棒性。

表1 Boost變換器主電路參數(shù)

圖2 系統(tǒng)阻尼改變時(shí)無源控制和整數(shù)階PI無源控制的電感電流對(duì)比圖

4 整數(shù)階PI無源控制Boost變換器實(shí)驗(yàn)研究

4.1 整數(shù)階PI無源控制的實(shí)驗(yàn)過程

無源控制策略和整數(shù)階PI無源控制策略先通過MATLAB/Simulink仿真測(cè)試，再采用快速控制原型仿真技術(shù)的電路實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)由主機(jī)、NI設(shè)備、RCP、I/O口、Boost硬件電路、示波器、電子負(fù)載、可編程直流電源、輔助電源等組成(圖3)。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：首先將Boost硬件電路的接口與NI設(shè)備中I/O接口相連，隨之在RCP軟件中應(yīng)用Simulink編寫的控制算法，上電后，最后通過示波器采集Boost電路上的電流值。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 Boost變換器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4 系統(tǒng)阻尼改變時(shí)無源控制和整數(shù)階PI無源控制的電感電流對(duì)比圖

當(dāng)系統(tǒng)阻尼改變時(shí)，無源控制和整數(shù)階PI無源控制的電感電流比較如圖4所示。相比無源控制，整數(shù)階PI無源控制均能快速上升至期望平衡點(diǎn)且電感電流均為1.6 A。因此，整數(shù)階PI無源控制策略能使電感電流快速上升至期望電感電流并且具備較強(qiáng)的魯棒性。

5 結(jié)論

為了快速減小Boost變換器的電流超調(diào)問題，本文采用了整數(shù)階PI無源控制策略。首先，在Boost變換器EL數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了整數(shù)階PI無源控制器，以提高系統(tǒng)的收斂速度。其次，引入積分系數(shù)作為附加控制因子，隨后根據(jù)Cohen-Coon法來獲取系統(tǒng)最優(yōu)控制參數(shù)，從而極大地降低了Boost變換器電流的超調(diào)量。仿真結(jié)果表明，相比無源控制，整數(shù)階PI無源控制策略能夠快速地達(dá)到期望平衡點(diǎn)，且有效地提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。最后，通過電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整數(shù)階PI無源控制器的硬件可行性。