滑模控制在BUCK变换器中的应用

范昭君

摘 要：本文设计双积分滑模控制器是基于CCM模式下Buck变换器，首先计算出该方法的滑模可达性条件及其控制器方程，并论述了该种方法的稳定性，最后采用SIMULINK对该控制器在Buck电路中的应用进行了仿真，证明该方法具有良好的动态性能、鲁棒性。

关键词：双积分滑模控制;Buck变换器;CCM;SIMULINK

目前，PID控制技术是电力电子变换器的主要控制方法，但该方法有以下几点不足：1）对系统参数的变化比较敏感，2）当负载大范围变化时，开关变换器动态响应速度慢、输出波形有畸变等缺点[1]。最近几年，为了提高变换器的各项性能，在电力电子变换器领域掀起了研究各种先进控制策略的风潮。电力电子开关变换器是非线性的，滑模控制是非线性控制器，他们具有天然的适用性，采用滑模控制的变换器具有鲁棒性强、动态响应速度快、控制实现简单等一系列优点，因此成为研究的热点。

1 BUCK 变换器的组成及基本原理

1.1 BUCK 变换器组成

BUCK 变换器是由MOSFET，二极管D，电感L，电容C等元件组成，该电路主要实现直流电压Us 到直流电压Uo的转换[2]。

1.2 BUCK變换器的工作原理

在CCM下运行的BUCK变换器，即输出电感L的电流在整个开关管Sw关断周期中都存在。调节开关器件Sw的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小[3，4]。

负载侧输出电压的平均值为：

2 间接滑模控制的BUCK变换器的设计

由于传统的滑模控制为了限制开关频率会采用滞环控制，但因此也会造成稳态误差。为了解决这一问题，引入积分滑模控制器。被控变量为电压误差信号x1，电压信号的变化率x2，电压误差的积分x3，电压误差的双积分x4，它们可以表示为：

3 仿真结果

为验证控制系统的可靠性，对于BUCK变换器的参数为下，输入电压值为24V，输出电压值为12V，MOSET的开关频率为20KHZ，电阻阻值为3欧姆，取L为50e-06H，C为4.36e-02F。

取参考电压Vref为2.5V， =0.208，滑模系数 ， 所以，K1=0.327，K2=53.78，根据系统的抗干扰能力的强弱，经过仿真对比可得出：K3=2000（此时，系统的抗干扰能力最强）。

根据以上参数，可得以下仿真结果如下图所示：

图4  PID控制的BUCK变换器（a）

滑模控制的BUCK变换器（b）

图5PID控制的BUCK变换器（a）

滑模控制的BUCK变换器（b）

根据仿真结果可得，滑模控制的BUCK变换器，系统的超调较小，调节时间较快，稳态误差较小，大约稳定在11.5左右，而PID控制的BUCK变换器，系统的超调较大，调节时间较长，稳态误差较大，输出的电压大约稳定在11.4左右。

4 结论

本文研究双积分滑模控制在Buck变换器中的应用，由于传统的滑模控制为了限制开关频率会采用滞环控制，但因此也会造成稳态误差。为了解决这一问题，引入积分滑模控制器，

最后通过SIMULINK对该控制器在Buck电路中的应用进行了仿真，证明该方法具有良好的动态性能、鲁棒性。

参考文献：

[1]刘斌.基于Buck型变换器的滑模变结构控制技术研究[D].浙江大学，2007.

[2]汪垚.一种基于滑模变结构控制的Buck变换器设计[J].农村经济与科技，2018，29（16）：297-298+262.

[3]丁昱文，邹海荣，丁家圣，周建达.DC-DC降压变换器的滑模控制研究[J].信息技术，2017（06）：137-141.

[4]汪习成.带恒功率负载的数字Buck变换器的研究[D].广西大学，2017.