基于VISSIM的BUCK变换器滑模控制

    杨国超，纪志成

    (江南大学，江苏无锡214122)

    摘要：根据Dc／Dc变换器的基本原理，基于V1ssIM建立了BucK变换器的仿真模型，采用双滑模面控制方法，内环滑模面用于电流控制环，外环滑模面用于电压控制环，并将仿真结果与PI控制方式相比较。仿真结果表明了滑模控制的优越性，为研究BucK变换器的滑模控制提供了新方法，也为进一步研究其它Dc／Dc变换器的滑模控制提供了新思路。

O引  言

    Dc／Dc变换器分为PwM型和谐振型。本文采用PwM型BucK变换器，即通过改变占空比来调节变换器。

    目前，对于BucK变换器的闭环控制方法，主要有电压型和电流型。电压型采用输出电压单环控制，而电流型采用电感电流和输出电压双环控制，能从电路中获得更多的信息，控制效果较好。

    对于电流型双环控制，可用的控制器很多，最基本的有PI控制器、模糊控制器、滑模控制器。在这三种控制器中，PI控制器结构******，但受外界扰动影响较大；模糊控制器需设计模糊规则表，结构复杂；滑模控制具有很强的鲁棒性，几乎不受外界扰动的影响，控制效果好，而E}控制器设计相对模糊控制较简单。

    而对于BucK变换器的滑模控制，一般分为时不变和时变两种滑模面。其中，时变滑模面是将变换器参数的变化引入到切换面，根据变换器参数的变化不断修正切换面，结构较复杂；而时不变滑模面需在设计时确定滑模面的系数。

    综合比较各种控制方法，本文采用时不变滑模面的控制方法。VIssIM是一种功能强大的电力电子和自动控制建模和仿真软件，该软件能够提供友好的用户界面，并包含有丰富的控制元件库和强大的数学运算模型，还可将其它仿真软件中的元器件容易地转化为通用数学模型，更能够与c++、DsP和集成的Matlah模块共享。通过用VIssIM建立BucK变换器的滑模控制模型，可将滑模控制引入电力电子开关控制领域，为实际开关控制的设计提供了新思路。

1 BuCK变换器的数学模型

BucK变换器原理图如图l所示。

取电感电流i和电容电压v为状态变量，应用KvL和KcL(基尔霍夫电压和电流定律)，可得开关管导通时的微分方程：

同理，可得出开关管关断时的微分方程为：

式(I)、式(2)合并可表示为：

式中：Vs为电源电压，L为电感值，c为电容值，R为电阻值，f为开关频率，u为控制率，u=l时，开关管开通；u=O时，开关管关断。

    通过转换并用标准化方法τ=ft，可得如下模型：

2双闭环控制

    图2为BucK变换器电流型双闭环控制原理图，BucK变换器的输出电压参考值与实际值的偏差通过电压控制器得到电感电流的期望值，该值经过电流控制器与电感电流实际值相比较产生误差值，再通过开关控制器产生BucK变换器开关管的控制信号，调节电感电流和输出电压值，最终使电感电流和输出电压值均趋于稳态值。

在传统的电流型双闭环控制中，电压控制器采用PI或PID调节器，电流控制器即为一个减法器和增益环节。开关控制器一般选择PwM或滞环控制器。

  3滑模控制

  20世纪60年代，前苏联学者s．V．Emelvanov，v．I．utkin等提出了变结构控制(以下简称Vsc)方法，Vsc与常规控制系统的不同之处在于系统的“结构”可以在瞬变过程中，根据系统当前的状态(偏差及其各阶导数等)，以跃变方式，有目的的变化，迫使系统沿预定的滑动模态运动。由于其滑动模态具有对干扰与摄动的不变性，这使得Vsc具有快速响应、对参数及外界扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点，20世纪80年代以后逐渐受到重视。

一般的滑模控制包括滑模面设计和控制率设计两部分，但对于BucK变换器，其控制率u只能取0或l，故对其滑模控制设计主要集中在滑模面设计上，而对于滑模面设计，有单滑模面0和双滑模面两种方法，用单滑模面方法波形会有较大的