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隨著電源領(lǐng)域及微機(jī)控制技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字電源受到了越來(lái)越多人的關(guān)注，數(shù)字控制具有靈活、基準(zhǔn)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)勢(shì)，正逐漸取代傳統(tǒng)模擬控制。數(shù)字電源的工作點(diǎn)不定，對(duì)輸出的瞬態(tài)響應(yīng)要求比較高，常規(guī)線性控制器是基于小信號(hào)模型設(shè)計(jì)的，被控變換器只有在特定條件下才能工作在最優(yōu)狀態(tài)，因而對(duì)于工作范圍較寬的數(shù)字電源，無(wú)法利用傳統(tǒng)的局部線性化方法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。

滑模控制通常具有出色的大信號(hào)處理能力，將其應(yīng)用在DC-DC變換器中，可以使電力電子變換器在更大的工作范圍內(nèi)具備較高的性能。

滑模控制在DC-DC變換器中的首次應(yīng)用出現(xiàn)于1983年Bilalovic等人發(fā)表的文獻(xiàn)中，作者論證了在降壓變換器（Buck）中使用滑模控制的可行性，隨后的30多年，該領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前該領(lǐng)域主要可分為兩個(gè)大方向：可變頻率控制與固定頻率等效脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）控制。

理想滑模控制器需要工作在無(wú)窮大頻率處，因而可變頻率滑模控制器更加易于實(shí)現(xiàn)，其中具有代表性的方法有滯環(huán)滑模控制器、電壓電流混合滑模控制器、分?jǐn)?shù)階滑模控制器等，但由于開(kāi)關(guān)頻率不固定，變換器中儲(chǔ)能電感與濾波電容的參數(shù)選取比較困難，且很難解決印制電路板（printed circuit board, PCB）設(shè)計(jì)中的電磁干擾、高次諧波吸收問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，有學(xué)者提出了定頻滑模控制器，其中包括自適應(yīng)滯環(huán)滑模控制器、PWM等效滑模控制器、定頻模糊邏輯滑模控制器等。此類(lèi)控制器嚴(yán)格意義上屬于間接滑模控制器，滑模控制律最終會(huì)等效為功率器件的占空比。該方法解決了開(kāi)關(guān)頻率不固定的問(wèn)題，但等效控制概念的引入降低了滑模控制器魯棒性和調(diào)節(jié)性能。有學(xué)者提出了具有積分項(xiàng)及二重積分項(xiàng)的滑模控制器，進(jìn)一步提高了間接滑模控制器的穩(wěn)態(tài)性能，并給出了在Buck變換器中的仿真結(jié)果。

為了進(jìn)一步提高控制器動(dòng)態(tài)性能、減小系統(tǒng)超調(diào)，渤海大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員針對(duì)同步Buck型寬工作范圍數(shù)控降壓電源，提出了一種二階滑模控制器，其滑模面由電壓誤差、電壓誤差一階導(dǎo)數(shù)、電壓誤差二階導(dǎo)數(shù)、電壓誤差積分構(gòu)成，并搭建了樣機(jī)進(jìn)行算法驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)一階滑模控制器相比，二階滑模控制器動(dòng)態(tài)性能更好，解決了控制器的快速性與超調(diào)量之間的矛盾。

圖1 改進(jìn)Buck電路二階滑模控制器框圖

此外，研究人員還引入了跟蹤微分器的概念，用于獲得輸出電壓的各階導(dǎo)數(shù)信息，節(jié)省了額外的電流傳感器，解決了傳統(tǒng)微分器對(duì)于采樣噪聲敏感的問(wèn)題，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。值得注意的是，滑模控制及跟蹤微分器便于離散控制，對(duì)于數(shù)字控制系統(tǒng)比較友好，對(duì)于模擬控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

本文編自《電氣技術(shù)》，作者為侯元祥、巫慶輝 等，論文標(biāo)題為“基于二階滑模控制的定頻Buck數(shù)字電源設(shè)計(jì)”。