开关变换器的自抗扰控制研究

摘要：本文介绍了自抗扰控制器的原理和结构。结合开关变换器的非线性的特点，介绍了自抗扰控制器在DC-DC开关变换器中的应用；并对具体的Buck电路进行了建模、仿真和实验，结果验证了控制策略的优良性。

Abstract: In this paper, theory and structure of an auto disturbance rejection control are presented. Combined with the non-linear feature of PWMDC-DC converter, its application to PWM DC-DC converter is described in the paper. Simulations and experiments with a Buck converter have demonstrated the robustness of the control strategy.

关键词：DC-DC变换器；自抗扰控制；Buck变换器

Key words: DC-DC converter; auto disturbance rejection control; Buck converter

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0035-01

0 引言

本文介绍了自抗扰控制技术在PWM型DC-DC开关变换器中的应用。这种控制方法可以消除由于大信号或是小信号的输入电压和负载扰动而引起的输出电压的变化。最后以其中的Buck变换器的电路为例，并对电路进行了建模、仿真和实验。结果表明，该自抗扰策略具有很强的鲁棒性、动态响应快等优点。

1 自抗扰控制器

实际电路中，一般采用差分或是超前网络近似实现微分信号，该方法对噪音有很强大的放大作用，使微分信号失真而不能用，而"线性组合"常引起快速性和超调量之间的矛盾。自抗扰控制通过引入积分串联型跟踪微分器来提取合理的微分信号，并使用合适的非线性组合，以改进经典PID控制，提高自身的适应性和鲁棒性。自抗扰控制主要针对如下一类对象：y（n）=f（y，y，…，y（n-1），t），其中f为未知模型摄动及扰动的作用量。自抗扰控制器由跟踪-微分器（TD），扩张状态观测器（ESO），非线性状态误差的反馈控制率（NLSEF）构成，整个控制器仅需要系统的输入量和输出量作为信息来源。自抗扰控制器的实质是由扩张状态观测器产生不确定模型f对输出作用的补偿量，以使对象的不确定性在反馈中加以抵消，从而达到重新构造对象的目的，所以说扩张状态观测器是整个自抗扰控制的关键。以二阶受控对象为例，自抗扰控制器的结构如图1所示。非线性跟踪-微分器的参考输入v（t）产生2个输出v1（t）和v2（t），其中v1（t）为参考输入v（t）的跟踪信号，是根据对象能力与控制需要安排的光滑过渡过程，而v2（t）跟踪v1（t）的微分。

2 Buck开关变换器的建模

PWM型DC-DC开关变换器是一非线性和不连续的系统，这使得对它建模成为一个十分困难的问题。从目前的研究情况来看，借助现代控制论的系统建模方法，对电力电子拓扑网络建模是一条有效途径。从微分几何的角度来考虑这个问题，本文以Buck开关变换器为研究对象。

Buck变换器有两种工作状态：即开关导通模式：在开关管S导通时有电流经电感L向负载供电，和开关管关断模式：在S关断时，电感L释放储能，维持电流，电流经负载和二极管T形成回路。为简单起见，假定开关是理想的和同时认为状态转换是瞬间完成，本文仅研究电感电流连续工作的状态（CCM）下运行的buck变换器，即输出电感T的电流在整个开关管S关断周期中都存在。从以上的图中的拓扑电路中，可以分别写出Buck变换器导通和关断2个阶段的状态方程。在1个开关周期内利用状态空间平均法对Buck电路建模可以得到1个关于输出电压和开关频率的非线性状态方程。PWM控制中的占空比与自抗扰控制中的控制量是等价的。描述DC-DC开关变换器的微分方程一般可设为：

在式（2）中，U0代表输出电压，D代表占空比；IL代表电感电流；Ui代表输入电压。当然在实际的系统中，对Buck变换器建模时，还应该考虑器件的寄生元件，包括电感电阻和电容电阻等。在式中并没有这些寄生参数，如电容寄生电阻和电感寄生电阻等，可以把他们看成是系统的内扰，同时将电源和电压的波动看成是系统的外扰。自抗扰控制的优势就是不用考虑内外扰的影响，利用由扩张状态观测器产生不确定模型f对输出作用的补偿量，以使对象的不确定性在反馈中加以抵消，从而达到重新构造对象的目的。

3 自抗扰控制器数字仿真

为了验证自抗扰控制器的可行性，采用MATLAB中的Simulink对上述的控制方法进行仿真。电路仿真的参数设定为：L=270mH；C=10uF；额定负载R=5Ω；额定输入电压为8V；参考输出电压为4V。

仿真结果显示，输出电压能跟踪参考电压保持4V的输出；负载变化时，输出电压基本上没有波动，保持在4V的输出。

上述仿真实验结果表明，自抗扰控制策略对电源输入和负载电流干扰具有很强的抑制能力，动态响应快。

4 结论

本文应用自抗扰控制器，实现了PWM型DC-DC开关变换器对输入电压和负载变化具有良好的抑制能力，即输出电压只同给定参考输出有关。具有较强的鲁棒性，而且可以克服高频抖振现象，总谐波失真小，是一种可行的适应性好的非线性控制方案。

参考文献：

[1]林维明，黄是鹏.PWM DC-DC开关变换器非线性闭环控制策略的研究[J].中国电机工程学报，2001（3）:19-22.

[2]韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策，1998：13（1）：19-23.