基于自抗扰控制技术的LLC谐振变换器研究

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随着当今世界对环保与发展之间存在的矛盾愈加重视,通信、汽车、能源、工业等各个领域中都将节能、高效作为衡量电力电子装置性能的重要指标。在此背景下,LLC谐振变换器凭借其能够同时实现高开关频率与高转换效率的优势,得到了广泛应用。但是,LLC谐振变换器工作模态复杂,传递函数阶数较高,在发生负载突变时,动态性能很难满足要求。因此,通过适当的方法来提高LLC谐振变换器的动态性能,具有重要的理论和工程价值。自抗扰控制是于上世纪90年代提出的一种基于现代控制理论的先进控制策略。自抗扰控制器在传统线性控制器的基础上增加了一个扩张状态观测器,用于实时对系统中存在的扰动进行补偿,故其在处理不稳定、非线性、模型时变的被控对象上具备一定优势。本文选择自抗扰控制策略对LLC谐振变换器的控制环路进行改进,以提高变换器的动态性能。本文主要内容如下:(1)介绍自抗扰控制的基本原理,详细推导了一阶、二阶自抗扰控制器的传递函数,指出在特殊的参数配置下PID控制器与自抗扰控制器存在等效关系。基于以上理论分析,使用一阶自抗扰控制器改进了DC/DC Buck变换器的电压外环,负载跳变实验表明一阶自抗扰控制器有效提升了Buck变换器的动态性能,为后文类属Buck的LLC谐振变换器的自抗扰控制研究奠定理论与实验基础。(2)分析LLC谐振变换器的工作模态,计算了原、副边开关功率器件的电压、电流应力,完成对原、副边功率开关器件的选型。使用Simulink基于模型的DSP代码生成技术,配置了DSP的相关寄存器,简化了配置流程。(3)通过扩展描述函数法对LLC谐振变换器进行了建模,导出变换器从开关频率到输出电压的传递函数,并对其进行了降阶。详细介绍了LLC谐振变换器的PID控制器、等效自抗扰控制器以及在等效的基础上通过粒子群算法进一步优化自抗扰控制器参数的设计方法,并通过仿真验证了参数的有效性。(4)搭建以TMS320F28377为控制器的LLC谐振变换器实验平台,首先对LLC谐振变换器的软开关性能进行了验证,实验结果表明,所设计参数能够使得变换器原边开关管实现零电压开通,副边二极管实现零电压关断。随后本文分别对PID、自抗扰控制器的控制性能进行了验证,实验结果表明,自抗扰控制下的变换器在加载跳变时的恢复时间较PID控制时缩短了3.5ms,减载跳变时恢复时间缩短了2.5ms,故自抗扰控制具有比PID更佳的动态性能。
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