基于状态反馈精确线性化Buck变换器的微分平坦控制

皇金锋; 李慧慧; 谢锋

doi:10.15961/j.jsuese.202200025

工程科学与技术 ›› 2022, Vol. 54 ›› Issue (06) : 248 -257. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200025

基于状态反馈精确线性化Buck变换器的微分平坦控制

皇金锋, 李慧慧, 谢锋

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摘要

针对传统PI控制的Buck变换器暂态性能差的缺点，本文提出一种基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制方法。首先，根据状态空间平均法，建立了电感电流连续导电模式Buck变换器的仿射非线性模型，在此基础上，应用状态反馈精确线性化的方法，推导出状态反馈控制率，实现了系统的能控线性化。其次，针对此状态反馈精确线性化模型，设计了系统前馈控制器；并且将扰动观测器嵌入前馈控制器中，实现对输出电流的补偿；同时，为了消除实际系统由于未建模部分及外部干扰而导致系统实际输出与期望输出之间存在的偏差，设计了误差反馈补偿器。结合前馈控制器与反馈补偿器可得到本文提出的基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制，其中，前馈控制器中的微分项保证了变换器系统的快速性，反馈补偿器中的误差项保证了变换器系统的准确性。基于闭环系统的雅可比矩阵，采用特征值灵敏度理论，研究了变换器电路参数变化时对系统特征值的影响程度及趋势，指出减小电感量、增大电容值有利于提高系统的稳定性。最后，搭建了Buck变换器实验样机。实验结果表明，与传统PI控制方法相比较，本文提出的基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制方法能更好地抑制输入电压和输出电流的扰动，具有更小的调节时间和超调电压，表现出更优越的暂态性能，该控制策略具有一定的工程应用价值。