Boost变换器的控制电流环的优化设计

【摘要】平均电流控制是较常见的一种控制方法，它可以工作于CCM和DCM工作方式下，可以在输入电压、负载变化范围比较大的场合得到质量很高的电流波形。本文对平均电流控制电路的电流环的控制参数进行了选择设计，并用改进后的遗传算法对其进行进一步优化设计。最后通过仿真实验证明，优化后，电流环的相位裕量及稳定性优于优化设计前。

【关键词】电流控制;功率补偿;优化控制

引言

目前，开关电源向高频率，高效率，数字化，集成化方向发展，这是DC/DC转换器的控制系统委员会提出更高的稳态和瞬态性能[1]。信号和大信号瞬态分析和DC/DC开关稳压器系统的稳定分析和反馈控制电路的设计一直是一个电力电子领域有待解决的问题。加强这方面的研究，并结合高频开关电源的基本理论和实际应用的持续发展具有显著意义。本文在控制电路小信号模型的基础上，分析电流控制环的主要作用，选择合适的适应度函数，利用改进的遗传算法对控制参数进行优化，并对优化结果进行了仿真分析。

1.PFC控制电流环结构

电流环调节输入电流平均值，使其波形与输入电压波形相同。输出电压经电压误差放大器放大后，与全桥整流输出电压的采样在乘法器相乘后送到电流运算放大器作为基准电流。

2.参数选择

在有源功率因数调节器中有两个影响因素，一是输入端的桥式整流的影响，二是乘、除法电路及平方电路的影响。这两个影响因素都可能带来输入端间乘积、谐波或边频（Side Band）的影响，并且这两个因素的调变过程会互相影响。本文将在系统小信号模型的基础上进行分析，借用遗传算法对控制参数进行优化。

PFC电路是内电流控制环路，是通过调节电源电路的占空比，以迫使输入电流实现跟踪获得的输入电压正弦波。输入电压是全波整流波形，包含了丰富的谐波，为了更好地控制电感电流和得到良好的动态特性，必须具有一个高频电流环路增益，高带宽和合理的相位裕度和有抑制开关噪声的能力。

则据电流环的开环传递函数：

（1）

其中：RS为电流采样电阻，VO为输出电压，L为主电路电感，V为PWM控制器三角波峰峰值，为切换频率。

选择设计变量为：

，则可求出电流环的开环传递函数与设计变量之间的关系式：

（2）

本设计中：

，，，，，。

3.遗传算法在控制参数选择中的优化设计

3.1 遗传算法的设计

遗传算法的一般过程可以分为初始化、选择、交叉和变异四个组成部分，其操作流程如图1所示。

一轮遗传操作完成后，用每个新种群样本对应的一组寻优参数计算其适应度值，按从优到劣的次序排列，进行下一次迭代计算，直至达到满意的性能指标（或适应度值）。在最后的种群中，选择适应度值最大的一个样本，将其字符串解码，即得到最优的参数值。

图1 遗传算法基本操作流程图

3.2 遗传算法的改进设计（MGA）

在应用遗传算法优化的控制器参数时，应做到：

（1）为克服二进制编码的不足，改用格雷码进行编码操作。

（2）由随机数选择一个单独的适应度值比法有可能无法反映个体的适应正确，所以 改用期望的方法来代替适应度值比法。

（3）为提高优秀基因模式在一起的可能型，采用两个交叉操作。

在此基础上，进一步改进了算法如下：

（1）更好的保护优秀个体

为保证全局收敛，防止优秀个体在交叉（变异）操作中被破坏，每一代种群中适应度值最大的个体直接进入下一代，不参加交叉和变异过程。

（2）自适应变异策略

自适应温度的自适应策略应用于交叉和变异操作。定义T为自适应温度：

（3）

其中f为某一代的平均值，fmax为最优个体适应度值。以T为依据设计遗传算子：

Pc =a1 +a2T （4）

PM=a3-a4T （5）

a1，a2，a3，a4为恰当选择的常数，算子和自适应温度T呈简单的线性关系。

（3）综合条件终止进化

判断算法是否终止进化的条件为：

1）遗传代数达到固定的最大值;

2）计算前后几代个体平均适应度的差（方差）小于设定的极小阈值。两个条件同时具备，就符合终止进化条件。

综合运用上述改进方法可提高算法的搜索效率，增强寻优能力，做到优势互补。

4.结果及分析

电流环优化前后的特性指标如表1所示：

表1 电流环特性指标对比

―― 增益裕量（dB） 相角裕量（o） 超调量σ% 调整时间ts（ns）

初步设计结果 4.18 7.9 9.8 80

MGA优化结果 6.3 45.2 6.3 90

分别应用两组参数阶越响应进行仿真，仿真结果比较如图2所示：

图2 两组参数阶跃响应的仿真比较

由图2仿真结果及表1的特性指标对比可知，优化后，电流环的增益裕量和相位裕量都得到了明显增加，稳定性也得到了很好的改善，开关噪声抑制能力有很大提高。

参考文献

[1]张占松.高频开关变换技术教程[M].北京：机械工程出版社，2010：13-20.

[2]R W Erickson，D Maksimovic.Fundamentals of Power Electronics.Second Edition.Kluwer Academic Publishers，2001.

[3]朱小祥.高频电子技术[M].北京：北京大学出版社，2012： 56-59.

[4]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工程出版社，2006.

[5]关志华，寇纪淞，李敏强.一种改进的遗传算法Scatter GA[J].控制与决策，2002，17（5）：579-582.

作者简介：李金才（1993―），男，山东武城人，大学本科，现就读于德州学院机电工程系。