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DC/DC變換電路是重要的電源電路之一．供給DC/DC電路的供電電源常有波動，同時，用電負載也常有變化，在要求不高的場合可以直接使用，在要求較為嚴格的場合為保證電源在各種擾動下有優良的輸出品質，需要對輸入電壓做擾動補償、對輸出負載電壓進行反饋補償．文獻基于觀測器理論提出無電流傳感器模型（SCM）控制，改善了噪聲帶來的不確定性，提高了電源的動態響應范圍．根據反饋理論，電流反饋可以改善內環路的動態性能，提高系統的抗干擾能力，而電壓反饋則可改善輸出電壓品質．為提高DC/DC電源的輸出電壓品質，通常需要對輸出電壓隔離取樣做反饋控制，因此如何迅速準確地獲得電源輸出電壓的測量值，就成為決定DC/DC變換電路品質的重要因素．但是多數電壓隔離檢測元器件都存在溫度漂移大、線性不理想、電路復雜、成本高等問題，文獻[2]針對常用電壓檢測元件存在的問題，提出了運用降維觀測器對輸出電壓進行估計．實際中，能否依照反饋量合理設計調節器是決定電源品質優劣的決定因素．針對反饋量的品質要求，本文基于文獻提出了無電壓傳感器DC/DC電源的設計方法，依據典型I型二階系統的設計理論，分別對電流調節器和電壓調節器進行設計，并利用文獻的結果不需要直接測量輸出電壓即可獲得雙環控制，從而提高了電源動靜態品質． 1 DC/DC變換電路和降維觀測器 DC/DC變換電路的結構框圖如圖1所示。 圖1開環DC/DC變換電路的結構框圖 取狀態變量X1=Uo1，X2=Uo，X3=I，得 進而得出DC/DC變換器的降維觀測器方程： 2 無電壓傳感器DC/DC電源設計 2.1 電源組成和工作原理 功率開關放大器和輸出L-C濾波器是DC/DC電源的基本組成部分，無電壓傳感器DC/DC電源在此基礎上，利用文獻[2]的結果實現反饋，并增加電流調節器和電壓調節器，如圖2所示，提高電源的穩定性和動態響應特性． 在突加給定U*的起動過程中，電壓調節器和電流調節器分別依次給出控制信號，整個起動過程分為3個階段．第1階段是電流上升階段，突加給定電壓，由于濾波電感和濾波電容的慣性作用，電壓調節器處在飽和狀態，電流I線性增加，直到設定的最大值Imax，進入階段2。階段2是對電容恒流充電過程，此時輸出電壓Uo呈線性增加，影響電流，電流調節器開始發揮作用，使電流調節器輸出的調節信號按照電壓Uo的增長速率升高．階段3是輸出電壓調節階段，電壓調節器退出飽和維持恒定的輸出電壓． 2.2 電流調節器和電壓調節器的設計 調節過程表明，調節器的好壞是決定電源品質的關鍵，以下分別是電流調節器和電壓調節器的設計方法．根據電源輸出的實際要求設定電壓反饋系數h=1/6，電流反饋系數f=1/30．假設dUo/dt≈0，依據工程設計的近似原則，忽略Uo對Uo1的反饋作用，把該系統預定為典型Ⅰ型二階系統．鑒于本系統的實現目標是雙環控制，設計時按照先內環后外環的原則依次進行． 首先考慮內環參數的選取．電流調節器的傳遞函數設為Kpin.C(s)，由于dUo/dt≈0且忽略Uo對Uo1的反饋作用，故得內環開環傳遞函數 其中電感L的電阻為r。為使內環成為預期的典型I型二階系統，調節器的參數設置方法如下： 式中Kp是調節器得比例系數，C(s)是比例-積分調節器的傳遞函數，K是被調節系統的放大倍數，T1、T2是被調節系統的慣性延遲系數．按照式（1），內環調節器的傳遞函數為 所以內環的閉環傳遞函數 用相同方法配置外環電壓調節器，設Gpout(s)=Kpout.C2(s)為外環調節器的傳遞函數，把內環閉環傳遞函數作為外環設計的一部分，于是外環開環傳遞函數 相應地得出Gpout(s)的參數． 3 仿真結果及分析 設定仿真參數：電壓放大倍數Ks=6，慣性延遲Ts=0.2ms，輸出濾波電感L=1mH，輸出濾波電容C=1000μF，負載工作電阻R=1Ω，輸出濾波電感電阻r=0.01Ω.把上述參數和內環電流反饋f=1/30代入式（2）、式（3）和式（4）分別得： 為了修正整定計算的假設條件和克服觀測器估計的偏差，在用觀測器作為反饋的系統中，電壓反饋系數h調整為1/6.05，電壓調節器的比例系數Kpout調整為0.03．在上述條件下分別對用觀測器估計輸出電壓作為反饋量和直接取輸出電壓作為反饋量的系統進行仿真，重載時R=1Ω，輕載時R=50Ω，其結果如圖3、圖4所示（Uo、Ufb分別代表用輸出電壓估計作為反饋的電壓輸出值和電壓反饋值，Uo、Ufb分別代表用直接輸出電壓作為反饋的電壓輸出值和反饋值，Uref是給定參考值）．仿真表明，通過狀態觀測器的估計可以實現PI反饋調節，系統的輸出穩態性能滿足預期效果，系統靜差在R=1Ω時為0，在R=50Ω時為+0.25V．在動態方面，經過PI調節后系統上升時間和超調量在不同負載情況下略有差別．當R=1Ω時，上升時間約為0.07s，系統的超調量約為0；當R=50Ω時，上升時間約為0.025s，系統的超調量約為55％.（可以根據二階系統的性能指標，精確計算該電源系統的上升時間、超調量等動靜態指標）． 4 結論 仿真結果證明，依據狀態觀測值實現反饋的雙閉環控制系統的正確性和可行性，同時驗證了雙環控制系統的快速動態響應特性．在實際電路中，實現了無電壓傳感器的雙閉環控制．對比R=1Ω和R=50Ω兩種代表性負載的電壓輸出波形，重載的輸出波形明顯好于輕載輸出波形，輕載時調整外環調節器的比例系數可以得到和重載一樣好的輸出波形，故采用自適應調節器有望獲得寬負載范圍的高品質電源． |
