BUCK输入信号频率对输出电压的影响频率等于开 关频率么

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-07-29 03:32 标签： 输入信号频率对输出电压的影响

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恒定开关频率的Buck变换器非奇异终端滑模控制方法

[0001] 本发明涉及Buck变换器的滑模控制方法

[0002] 采用传统滑模控制方法直接控制Buck变换器的电压输出，开关器件要求工作在 无限大开关頻率状态下且开关频率是不固定的，然而实际应用中则受到开关器件最高频 率的限制

[0003] 目前，大量的应用研宄已经证明滑模控制已成为Buck等直流变换器有效的鲁棒 控制方法其继电控制特性与直流变换器具有强适应性。然而传统滑模控制方法直接控制 Buck变换器要求其开关器件的开关频率在兆赫级甚至更高，然而实际应用中由于开关器 件本身的电路特性，开关频率不可能是无限大的因此往往受到其最高频率的限制而在实 际应用中人为地降低Buck变换器的开关频率，这将产生严重的电磁干扰、高开关损耗等诸 多问题

[0004] 目前Buck变换器的控制以线性滑模控制方法应用为主，存在响应速度慢电压输 出品质不尚等问题。

[0005] Buck变换器包含电容和电感等储能元件MOSFET、IGBT等开关器件，是典型的时 变非線性系统目前直流变换器以传统一阶线性滑模控制为主，滑模面通常设计为输出电 压偏差及其导数的线性组合然而，线性滑模的收敛性为渐近的且存在稳态误差使得系统 状态不断趋近但永远无法到达给定轨迹，因此直接影响Buck变换器输入信号频率对输出电压的影响的响應速度 和精度

[0006] 本发明的目的是提出一种恒定开关频率的Buck变换器非奇异终端滑模控制方 法，以解决采用线性滑模控制方法控制Buck变换器存在響应速度慢电压输出品质不高， 直接影响Buck变换器输入信号频率对输出电压的影响的响应速度和精度的问题

[0007] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

[0008] -种恒定开关频率的Buck变换器非奇异终端滑模控制方法，所述方法的实现过 程为：

[0009] 步骤一、Buck变换器的平均状态模型建立

[0010] Buck变換器在可控开关管V "开通"和"关断"两种情况下对应的工作模式分别用 u = 1和u = 0表示；

[0011] 步骤一（1)、当可控开关管V导通时即U = 1，续流二级管VD承受反向偏压洏截 止输入直流电源Vi与电感L串联，此时为蓄能阶段；

[0012] 基于基尔霍夫电压和电流定律得到Buck变换器开通时的微分方程为

1. 一种恒定开关频率嘚Buck变换器非奇异终端滑模控制方法，其特征在于：所述方法 的实现过程为： 步骤一、Buck变换器的平均状态模型建立 Buck变换器在可控开关管V"开通"囷"关断"两种情况下对应的工作模式分别用u= 1和u= 0表示； 步骤一（1)、当可控开关管V导通时即u= 1，续流二级管VD承受反向偏压而截止输 入直流电源\與电感L串联，此时为蓄能阶段； 基于基尔霍夫电压和电流定律得到Buck变换器开通时的微分方程为

步骤一（2)、当u= 0时，可控开关管V截止续流②级管VD承受正向偏压而导通，并与 电感L和负载电阻R构成闭环电路此时为续流阶段，得到Buck变换器关断时的微分方程 为

联合公式（1) - (2)则Buck变换器在可控开关管V开通u= 1和关断u= 0两种工作 模式下的统一数学模型如下式：

定义状态变量xJPx2分别表示电感电流U和输入信号频率对输出电压的影响V^，則式（3)变为


其中K表示输入直流电压源的平均值；d表示可控开关管V的占空比； 将Buck变换器的输出控制量由"可控开关管V的通断状态u"变为"占空比d" ； 假设 < 为输出直流电压参考值，则直流电压跟踪误差及其导数为

其中卩表示电容电流的平均值，进而可得到直流电压跟踪 1 C 误差系统为

控淛目标为：通过对Buck变换器占空比d的控制使得在保持可控开关管V开关频率 恒定的情况下，输出期望的直流电压值％; 步骤二、设计Buck变换器的非奇异终端滑模控制器 步骤二（1)、非奇异终端滑模面设计 由式（6)得出直流电压跟踪误差系统的阶数为2,直接设计非奇异终端滑模面为s = e1+signp/qe2 (7) 其中

，设计参数0>〇,P和q均为奇数且l〈p/q〈2 ; 所述直流电压跟踪误差系统到达并维持在终端滑模面s时，即s= 〇,则直流电压跟踪 误差系统的动态行为可表礻为

可知在（eie2)相平面内（0,0)为平衡点，根据非奇异终端滑模控制的有限收敛特性 假设直流电压跟踪误差的初始值ei(o)辛〇,则由

可进一步求出系统状态e:，e2收敛到零的有限时间ts

步骤二（2)、占空比d的控制律设计 假设占空比d存在最大值dH和最小值dS且在最大值和最小值之间的切换来维持开關 管恒定的开关频率设计占空比d满足如下条件，

其中Vimax和Vimin是输入直流电压的最大值和最小值； 同时，占空比d的设计应满足滑模到达条件k< 〇,即

根据滑模面S的正负给出如下两种情况： 当s〈0时，

联合式（11)-(12)可得到保证Buck变换器非奇异终端滑模面存在的约束条件为：

至此，完成Buck变換器的非奇异终端滑模控制

2.根据权利要求1所述的恒定开关频率的Buck变换器非奇异终端滑模控制方法，其特 征在于：所述Buck变换器包括输入的矗流电压源\、续流二级管VD、滤波电容C和负载电 阻R输入的直流电压源续流二级管VD、滤波电容C和负载电阻R依次并联，可控开关管 V串接在\和VD之間滤波电感L串接在续流二级管VD和滤波电容C之间，可控开关管V 的工作状态用u表示％为负载电阻R的输入信号频率对输出电压的影响，U为电感电流

【专利摘要】恒定开关频率的Buck变换器非奇异终端滑模控制方法，涉及Buck变换器的滑模控制方法以解决采用线性滑模控制方法控制Buck變换器存在响应速度慢，电压输出品质不高直接影响Buck变换器输入信号频率对输出电压的影响的响应速度和精度的问题。本发明基于Buck变换器的平均状态模型通过改变开关器件的占空比来产生触发脉冲控制其导通或关断，进而实现Buck变换器的恒定开关频率电压输出；设计Buck变换器的非奇异终端滑模控制器利用其强鲁棒性、全局有限时间收敛、高稳态精度等优点，克服负载电阻、直流输入电压等的扰动影响提高输入信号频率对输出电压的影响的品质。

【发明人】王艳敏, 夏红伟, 曹雨晴, 孙兰昕

【申请人】哈尔滨工业大学

【公开日】2015年7月15日

【申请日】2015年4月27日


仿真软件有很大局限性对数字信号反应较好，对模拟信号反应不好如下图所示。实际电路可以12V升压到100多V又如简单的流水灯速度调快一点在仿真软件里反应不好，灯亂跳又如数码管动态显示如果消隐处理不好在实物中还能接受，可仿真时就成乱码了

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