Buck直流变换器的滑模变结构控制研究

    滑模变结构控制VSS(Variable-Structure Control System with sliding Modes)，是一种非线性理论，对具有不确定动态特性的非线性系统而言，这种控制策略能使系统沿设计的“滑动模态”轨迹运动。该结构具有算法简单、对模型要求低、闭环系统对干扰信号以及控制对象本身的摄动鲁棒性强等特点[1]。近十年来，已得到控制界的广泛关注及实际应用[2]。

    电力电子开关变换器的电路本质是离散、耦合的、动态的非线性系统，现在大部分开关变换器采用线性化的控制技术，控制规律采用PI控制。但PI控制对系统参数变化比较敏感，特别是开关变换器带非线性负载时响应速度慢，波形易发生畸变[3]。随着人们对开关变换器性能的要求逐渐提高，非线性系统的线性控制难以满足要求。而滑模变结构控制对开关变换器非线性具有天然的适用性。因此，本文以Buck变换器为研究对象，利用滑模变结构理论对其进行控制分析。其分析方法也可推广到其他开关变换器中。

1 VSS的基本问题

    要实现VSS，必须满足以下条件[1]：
 

   VSS的动态响应可分为正常运动段和滑模运动段。因此VSS的设计主要包括两方面内容:选择合适的滑模面s(x)；寻找合理的控制函数u⁺(x)和u^-(x)。

2 Buck变换器的VSS分析

2.1  Buck变换器的基本拓扑结构

    图1为Buck变换器的拓扑图，根据全控型电力电子器件的导通与否，系统具有两种工作模式，即电感电流连续模式及电流断续模式[4]。本文以电感电流工作在连续模式下，分析其工作过程。假设各电子元器件均为理想器件,取x1=iL,x2=uo，则Buck变换器的状态空间方程为：

    本文应用滑模变结构控制方法，对非线性的Buck系统进行控制分析。仿真结果表明，相对于常规线性控制，滑模变结构控制方法具有响应速度快、跟随性能好、抗干扰能力强的特点。文中推导的广义滑模区域条件及等效控制条件对Buck滑模变结构控制提供了一定的理论指导。