单电感双输出Buck变换器改进滑模自抗扰控制

摘要

针对单电感双输出（SIDO） Buck变换器发生输入电压跳变和负载扰动时输出支路间存在严重交叉影响使得输出电压暂态性能变差的问题，提出了一种基于降阶级联扩张状态观测器（CRESO）和改进非奇异终端滑模控制（TSMC）的自抗扰控制（ADRC）策略。首先，根据状态空间平均法，建立了SIDO Buck变换器在电感电流连续模式下的数学模型，在此基础上分析了交叉影响产生的原理。其次，将变换器的主路和支路拟合成独立的2阶ADRC范式分开设计，针对传统扩张状态观测器（ESO）对状态变量和扰动观测精度不足的问题，利用CRESO对系统状态变量和内外总扰动项进行估计，以提升估计能力，并在相同带宽下提升扰动估计的速度。然后，利用非奇异TSMC设计状态误差反馈控制律，使滑模面能在有限时间内收敛到原点，代替比例-微分（PD）控制以提高系统的快速性和鲁棒性，并加入超扭矩算法进一步降低滑模控制的抖振现象。接着，通过特征值稳定判据和Lyapunov理论证明了CRESO和改进非奇异TSMC的稳定性，求出了CRESO的稳态误差范围和改进非奇异TSMC的收敛时间。最后，搭建了SIDO Buck变换器的仿真和实验平台，通过对比在输入电压和负载突变时，共模-差模电压（CMV-DMV）控制、传统ADRC和本文改进ADRC这3种策略的暂态性能差异，验证了本文所提控制策略的有效性和优越性。本文的控制策略减小了SIDO Buck变换器输出支路间的交叉影响，并提升了系统瞬态响应性能。

关键词

单电感双输出 / 交叉影响 / 降阶级联扩张状态观测器 / 非奇异终端滑模 / 超扭矩控制算法