电子功率谐振变换器建模与控制的研究.pdf

华南理工大学
博士学位论文
电子功率谐振变换器建模与控制的研究
姓名:赵红茹
申请学位级别:博士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:吴捷
20040501
摘要
摘要
随着电力电子技术的发展,功率变换器在开关电源、电机驱动控制、电网的
无功补偿和谐波治理等领域得到广泛的应用。软开关技术的应用使功率变换器可
以具有更高的效率、更高的功率密度以及更高的可靠性,并可有效地减小电磁干
扰和开关噪声,为在世纪大力发展绿色电力电子产品提供了有效方式
和方法。而将现代控制技术应用于功率变换器中可以大大改善系统的动态品质、
稳定性、鲁棒性等。因此,现代控制理论与软开关技术的结合应用,使得功率变
换器以更优的性能、更快的速度扩大它的应用领域。本文主要研究谐振软开关
变换器的建模与非线性控制等问题。主要的工作包括以下几个方面
由于开关元件和谐振环节的存在,准谐振变换器是一个时变的非线性离散系
统,其电路结构复杂,难以建立一个实用的大信号模型口对于此本文提出利用电
路拓扑简化原理来建立其大信号非线性动态模型,并对该模型进行稳态性能及动
态特性分析仿真结果表明该建模方法的有效性。
本文首次将变结构建模理论和滑模控制理论系统的引入到准谐振变换器的
建模与控制中。针对准谐振变换器有四个不同的工作模态,具有变结构、强非线
性的特点,文中利用变结构建模理论建立了其精确的大信号模型,无需做任何简
化,适合滑模控制。在设计滑模控制时,值得注意的是对应于不同工作模态下的
变结构模型,需考虑分别选择切换面函数,并根据到达条件求得控制律。
文中还详细讨论了准谐振变换器滑动模态的动态品质,分析推导出到达时间
的计算公式,并指出将最佳阻尼比作为电路参数设计的依据时,可以保证准谐振
变换器在趋近运动阶段有较短的到达时间、在滑动模态阶段有较小的超调量,从
而有良好的动态品质。
从控制角度出发,准谐振变换器是一个高阶非线性系统,在实际控制过程中
需要调频,且在控制过程中每个谐振周期内,输出电压都会存在大量的纹波。为
了调整输出电压及解决纹波问题,本文采用注入阻尼以稳定的无源性控制理论设
计状态反馈控制器即通过注入需要的阻尼项,适当配置系统能量耗散方程中的
“无功力”,迫使系统总能量跟踪预期的能量函数,使得闭环控制系统是无源的。
近年来,低输出电压和大输出电流的负载条件对开关变换器提出了要求。串
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联谐振变换器以准正弦型电流波形工作,辐射功率小,控制理论较为成
熟,越来越受到行家的青睐。本文将滑模控制理论引入到全桥式串联谐振变换器
中,获得了较为理想的控制结果。值得注意的是文中选择两种切换面函数基
于李亚普诺夫稳定性理论的切换面函数和线性切换面函数其中线性切换面选择
使得控制系统结构简单而且容易实现,参数的选取可以在比较大的范围内获得,
同时消除了稳态输出误差。
为了调整输出电压及解决纹波问题,本文从能量守衡的角度设计串联谐振变
换器的无源性状态反馈控制器。无源性方法可以充分利用物理系统本身的结构特
点,为李亚普诺夫函数的构造提供信息。文中在建立模型基础上,利用谐波
分析法将电路模型化简成适合无源性控制的形式其次利用“注入阻尼使得系统
稳定”的无源性控制思想和稳定性理论来设计一个非线性控制器,使串
联谐振变换器的动态性能和参考模型尽量保持一致,对参数变化和外界扰动不敏
感,并使稳态误差为零。
关键词准谐振变换器串联谐振变换器滑模控制无源性控制鲁棒性
切
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作者签名奋竹日期乙月日
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作者签名日期性月万口
导师签名日期平「月日
第一章绪论
第一章绪论
课题研究背景及意义
电力电子技术是电力电子器件、功率变换技术和自动控制技术三者结合而发