Boost型DC／DC變換器的預(yù)測無差拍控制器設(shè)計

摘要：為了提升電流模式控制下Boost DC／DC變換器的動態(tài)響應(yīng)速度，采用電流預(yù)測和無差拍控制理論對控制器進行設(shè)計。給出了線性外插的預(yù)測方法和無差拍控制策略，分析了電壓環(huán)路小信號模型并設(shè)計了其控制器。采用前緣調(diào)制的預(yù)測無差拍峰值電流模式控制，電感電流可以在兩個周期內(nèi)調(diào)整到參考量；當(dāng)占空比超過0．5時，變換器不存在次諧波振蕩問題，省去了斜率補償設(shè)計。實驗結(jié)果表明，與經(jīng)典電流模式控制器相比，預(yù)測無差拍控制器在控制電壓上跳變2 V時，能夠縮短約22．6％的調(diào)節(jié)時間；在控制電壓下跳變2 V時，能夠縮短約9．4％的調(diào)節(jié)時間。
關(guān)鍵詞：控制器；電流模式；預(yù)測電流控制；無差拍控制

1 引言
Boost DC／DC變換器的控制問題一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點。由于受控對象傳輸函數(shù)的非線性和時變性，傳統(tǒng)的控制方法有時不能達到預(yù)期效果，故需尋找適合Boost DC／DC變換器的先進控制理論，這包括：模型預(yù)測控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測電流控制等。
此處采用無差拍控制思想，結(jié)合線性外插的預(yù)測方法，對Boost DC／DC變換器的電流環(huán)進行優(yōu)化設(shè)計，該設(shè)計簡單可靠，對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，便于數(shù)字方式實現(xiàn)。仿真和實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的變換器具有良好的靜、動態(tài)性能。

2 電流模式控制BOOSt DC／DC變換器
Boost DC／DC變換器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)升壓的開關(guān)電源。電流模式控制通過對電感電流的控制，提升了環(huán)路響應(yīng)速度。對于理想的電流模式控制，環(huán)路傳輸函數(shù)已經(jīng)不包括電感了，因此也就不再有LC雙重極點，這就簡化了電壓環(huán)的補償設(shè)計。電流模式控制方式中，峰值電流模式以其具有快速的限流作用而得到廣泛應(yīng)用，因此后面的討論均基于峰值電流模式。經(jīng)典的電流模式控制是將電感電流用作脈沖寬度調(diào)制器(PWM器)的斜波輸入，如圖1所示。

其中，d是占空比，V是開關(guān)，VD是二極管，i是電感電流，ic是控制電流。反饋電壓通過PI控制器產(chǎn)生ic，與經(jīng)過斜率補償?shù)膇相比較，進行PWM。經(jīng)典的峰值電流模式控制存在次諧波振蕩的問題，這可通過斜率補償解決。要保證補償后的上升斜率大于下降斜率，因此補償斜率為：

經(jīng)典電流控制需要采樣到連續(xù)的電感電流，不便于控制器的數(shù)字方式實現(xiàn)；此外，斜率補償會增加控制電流與電感電流之間的誤差，從而降低變換器的動態(tài)性能。

3 電流環(huán)的預(yù)測無差拍控制設(shè)計
預(yù)測無差拍控制作為一種離散控制理論，是指通過已知狀態(tài)信息計算出下一時刻控制量，并在數(shù)個時鐘周期內(nèi)讓目標達到控制量的一類控制方法。由于占空比的計算需使用下個周期的電流和電壓狀態(tài)信息，所以必須對它們進行預(yù)測。