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IP屬地：湖北 上傳時(shí)間：2022-02-25 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：7 大?。?11.50KB 積分：18 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、基于DSP的BUCK變換器滑?？刂撇呗匝芯客跷木?鄭詩(shī)程 葛蘆生 安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院（馬鞍山 243002）摘 要 本文首先分析、研究了滑模控制的原理以及傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)控制特性，并結(jié)合BUCK變換器的特點(diǎn)，提出了新的控制方式滯環(huán)函數(shù)的開(kāi)關(guān)量控制和改變占空比控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式；系統(tǒng)采用輸出電壓閉環(huán)控制，有效改善了系統(tǒng)的抖震和噪音問(wèn)題，并獲得了良好的動(dòng)靜態(tài)性能；實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的控制方式切實(shí)有效、可行。關(guān)鍵詞 滑模; 滯環(huán); 占空比Research on sliding mode control strategy based on DSP for BUCK converterWang w

2、enjuan, Zheng shicheng, Ge lusheng, School of electrical and information of Anhui university of technology (Maanshan 243002)Abstract: This paper analyzes the principle of sliding mode control and the characteristic of conventional switch control. Considering the BUCK converter, the novel control met

3、hod is presented, which refers to the compound control method. It combines the switch control of hysteresis loop function with the varying duty-cycle control. The closed loop control of output voltage is applied in the system to improve the doushen and noise problem, the better dynamic and static pe

4、rformance is obtained simultaneously. The novel control method presented in this paper is proved effective and feasible by experiments. Keywords: Sliding mode; Hysteresis loop; Duty-cycle1. 引言 目前，滑?？刂茟{借其魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各種電力電子變換器中，而在BUCK變換器控制中，滑?？刂埔彩菍乙?jiàn)不鮮。傳統(tǒng)的滑模控制基本上都是以輸出電流為控制目標(biāo)，采用輸出電流的閉環(huán)控制方式來(lái)間接實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。

5、其控制規(guī)律常采用符號(hào)函數(shù)的開(kāi)關(guān)量控制，通過(guò)控制功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，迫使系統(tǒng)能夠由任意狀態(tài)進(jìn)入給定的切換面，并沿著切換面作高頻滑動(dòng)，最終趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。其硬件設(shè)計(jì)常基于模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，頻率一般為幾十KHz，這種控制方法已經(jīng)被證明是可行的，且具有良好的魯棒特性，但還存在如下問(wèn)題：1） 由于系統(tǒng)是通過(guò)控制輸出電流來(lái)間接控制輸出電壓的，因而，勢(shì)必會(huì)造成輸出電壓 受負(fù)載電流突變的影響較大，有上沖、下沖現(xiàn)象；2） 系統(tǒng)到達(dá)滑模切換面滑動(dòng)時(shí)，抖震現(xiàn)象較嚴(yán)重，噪音較大?；诖?，本文提出了采用滯環(huán)函數(shù)的開(kāi)關(guān)量控制和改變占空比控制相結(jié)合的復(fù)合控制規(guī)律，并通過(guò)輸出電壓閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)采用TI

6、公司生產(chǎn)的高速DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，并設(shè)置系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率為300KHz，有效減小了系統(tǒng)的體積，使得硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高。由于本系統(tǒng)采用輸出電壓的閉環(huán)控制，因而，當(dāng)輸出負(fù)載電流突變時(shí)，消除了輸出電壓的上沖、下沖現(xiàn)象，使系統(tǒng)具有很好的魯棒性，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，由于采用改變占空比控制，避免了功率器件的頻繁劇烈的動(dòng)作，有效改善了抖震和噪音嚴(yán)重的現(xiàn)象。2. BUCK電路滑?？刂圃矸治龊脱芯緽UCK變換器是一種時(shí)變、強(qiáng)非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)電路，具有變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可直接利用變結(jié)構(gòu)方法對(duì)其進(jìn)行分析和控制，而不需作任何簡(jiǎn)化和近似，因此，目前滑模變結(jié)構(gòu)控制方法己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于BUC

7、K變換器中。本文中將通過(guò)滑?？刂剖笲UCK電路得到期望的穩(wěn)定輸出電壓。這里通過(guò)L、C參數(shù)的選擇使BUCK變換器工作在連續(xù)狀態(tài)(即CCM)，電路具有兩個(gè)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖1所示）。 圖1.主電路結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： （1）滑模系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分為兩個(gè)階段：(1)趨近運(yùn)動(dòng)階段，于有限時(shí)間內(nèi)從任一初始狀態(tài)到達(dá)切換面，系統(tǒng)軌線(xiàn)向著s=0滑動(dòng)；(2)滑動(dòng)模階段，系統(tǒng)軌線(xiàn)沿著s=0滑動(dòng)，系統(tǒng)在滑動(dòng)模階段具有強(qiáng)魯棒性，但有較強(qiáng)的抖震現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：1）希望趨近階段盡可能快。這里通過(guò)參數(shù)選擇，令,來(lái)減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，使趨近階段加快。2）消除抖震。當(dāng)系統(tǒng)沿著切換面滑動(dòng)時(shí)抖震現(xiàn)象嚴(yán)重，噪音大，干擾強(qiáng)。為

8、改善滑動(dòng)時(shí)的抖震、噪音問(wèn)題，本文提出了滯環(huán)函數(shù)的開(kāi)關(guān)量控制和改變占空比控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式?；？刂破髟O(shè)計(jì)包括：(1)尋求切換函數(shù)s(x)，使其確定的滑動(dòng)模態(tài)漸進(jìn)穩(wěn)定且具有良好品質(zhì)；(2)尋求控制函數(shù)，使切換面上布滿(mǎn)止點(diǎn)，形成滑動(dòng)模態(tài)區(qū)。2.1切換函數(shù)的選擇實(shí)驗(yàn)的控制目的是得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓 ，令誤差函數(shù)，= （2） 則根據(jù)控制目的，選取切換函數(shù)s(x)為：s(x)= K + （3）K為常量，設(shè), , （4） （5）系統(tǒng)滑動(dòng)模態(tài)的存在性需滿(mǎn)足 （6）s<0, （7）s>0, （8）因此，e必須限制在范圍內(nèi)。 當(dāng)和嚴(yán)格沿著切換面s=0（如圖2示）做高頻滑動(dòng)時(shí)，在瞬間反應(yīng)過(guò)程中

9、 可以忽略，是沿著衰減的，所以其一階響應(yīng)時(shí)間常數(shù),K取值越大則越小，但K不易取過(guò)大，否則將減弱在控制中的作用。圖2. 滑模切換面2.2 控制規(guī)律的研究當(dāng)采用滯環(huán)函數(shù)開(kāi)關(guān)量控制時(shí)，系統(tǒng)雖然對(duì)信號(hào)的大擾動(dòng)具有很好的魯棒性，但抖震現(xiàn)象嚴(yán)重，噪音大；而采用單一的改變占空比控制方法時(shí)，雖然會(huì)明顯改善抖震現(xiàn)象，但對(duì)大幅度的干擾信號(hào)魯棒性較差。為了使系統(tǒng)既具有很好的魯棒性，又能改善輸出電壓的抖震現(xiàn)象，有效降低系統(tǒng)噪音，本文提出了新的控制方式滯環(huán)開(kāi)關(guān)量控制與改變PWM占空比控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。設(shè)系統(tǒng)的控制函數(shù)為的非線(xiàn)性函數(shù)，當(dāng) >m時(shí)，采用滯環(huán)開(kāi)關(guān)量控制方式；當(dāng)<m時(shí)，采用改變PWM占空比控

10、制方式。其中，m為設(shè)定的常量。(1) 滯環(huán)開(kāi)關(guān)量控制（其控制思想如圖3所示）為了使系統(tǒng)的輸出達(dá)到要求，可選控制規(guī)律為：u=0.5(lsgn(s) 即 （9）理論上開(kāi)關(guān)頻率可以為無(wú)限高，但具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率是有限的，因此，要降低開(kāi)關(guān)頻率，可設(shè) （10）(2) 改變占空比控制當(dāng)<m時(shí)，采用改變PWM占空比控制方式，此時(shí) (11)其中，為占空比，為占空比的變化量，為的非線(xiàn)性函數(shù)，其意義為：當(dāng) >0，1，占空比增加，即 （12）<0, 1，占空比減小，即 （13）0，且0，0，占空比不變，即 （14） 圖3. 控制框圖3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用DSP芯片TMS32

11、0F2812構(gòu)成系統(tǒng)的控制核心。TMS320F2812 是美國(guó)TI 公司研制的2000系列數(shù)字信號(hào)處理器中性能最強(qiáng)的32位定點(diǎn)DSP芯片，工作頻率可達(dá)到150MHz，運(yùn)算速度非?？?，使軟件程序的控制更加方便靈活；芯片內(nèi)集成了16 通道的ADC 模塊，16 通道的PWM 輸出，多達(dá)56個(gè)GPIO口，3 個(gè)定時(shí)器，3 個(gè)比較器，3 個(gè)單端比較單元，4 個(gè)捕捉單元，完全符合RS232 標(biāo)準(zhǔn)的雙通道串行接口、CAN總線(xiàn)模塊、McBSP接口和SPI接口等，芯片無(wú)需外擴(kuò)模塊，因而，電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，系統(tǒng)集成度好、可靠性高，裝置體積小。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4示。主要包括5個(gè)部分：主電路、電量輸入采樣和輸出

12、數(shù)字量處理、輔助電源、通信及人機(jī)接口。 圖4. 整體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)的輸入電壓為12V，輸出電壓控制為1.6V，最大輸出電流為10A，系統(tǒng)工作頻率高達(dá)300KHz。MOSFET選用的是RFP40N10，為保護(hù)MOSFET不被擊穿，在主電路中添加了過(guò)壓緩沖電路（如圖5示）。圖5. 主電路圖3.2系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)基于TMS320F2812 的BUCK變換器滑模控制的軟件開(kāi)發(fā)和仿真調(diào)試是在CCStudio V2. 02環(huán)境下完成的，采用標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。系統(tǒng)采用模塊化編程，主要包括主程序、中斷子程序和故障保護(hù)程序等。主程序主要完成變量和相關(guān)寄存器的初始化、開(kāi)機(jī)自檢等功能；中斷子程序?yàn)橄到y(tǒng)

13、核心部分，主要完成滑模算法和PWM的輸出功能，相應(yīng)的程序流程圖如圖6所示。圖6. 主程序流程圖和滑模算法中斷函數(shù)流程圖4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本實(shí)驗(yàn)中12V，1.6V，,220，K20000，1500，m=0.2，0.25，因此，e的范圍為，以滿(mǎn)足式(6)滑模面存在性的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的復(fù)合控制方式，能夠使系統(tǒng)輸出電壓具有很好的動(dòng)靜態(tài)性能，并且對(duì)輸入電壓、負(fù)載擾動(dòng)具有很好的魯棒性；同時(shí)，使系統(tǒng)的抖震和噪音現(xiàn)象得到明顯的改善。圖7、圖8分別為輸入電壓突變和負(fù)載突變時(shí)的輸出電壓波形。圖9為采用滯環(huán)開(kāi)關(guān)量控制時(shí)的輸出驅(qū)動(dòng)波形；圖10為改變占空比控制時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)波形。 圖7. 輸入電壓突變 圖8.

14、 負(fù)載突變CH1輸出電壓波形（上） CH1輸出電壓波形（上），CH2負(fù)載電流CH2為輸入電壓由11V突變到16V 負(fù)載由1和0.5切換，CH2 200mV/div,100mv/A 圖9. 滯環(huán)開(kāi)關(guān)量控制DSP輸出驅(qū)動(dòng)波形 圖10. 改變占空比控制DSP輸出驅(qū)動(dòng)波形 參 考 文 獻(xiàn)1P.Mattavelli, L.Rossetto, Malesani. Application of sliding mode control to switch-mode power suppliesJ.2002.2P.Mattavelli,L.Rossetto, G.Spiazzi. General-purpose of sliding-mode controller for DC/DC converter applicationsJ. 2003.3H.Sira-Ramirez. Sliding-mode control on slow manifolds of