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(yōu)良的輸出品質(zhì)，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(tài)響應(yīng)范圍．根據(jù)反饋理論，電流反饋可以改善內(nèi)環(huán)路的動態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，而電壓反饋則可改善輸出電壓品質(zhì)．為提高DC/DC電源的輸出電壓品質(zhì)，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(zhì)的重要因素．但是多數(shù)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(fù)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(shè)計調(diào)節(jié)器是決定電源品質(zhì)優(yōu)劣的決定因素．針對反饋量的品質(zhì)要求，本文基于文獻提出了無電壓傳感器DC/DC電源的設(shè)計方法，依據(jù)典型I型二階系統(tǒng)的設(shè)計理論，分別對電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器進行設(shè)計，并利用文獻的結(jié)果不需要直接測量輸出電壓即可獲得雙環(huán)控制，從而提高了電源動靜態(tài)品質(zhì)．

1 DC/DC變換電路和降維觀測器

DC/DC變換電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1開環(huán)DC/DC變換電路的結(jié)構(gòu)框圖

取狀態(tài)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(shè)計

2.1 電源組成和工作原理

功率開關(guān)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(chǔ)上，利用文獻［2］的結(jié)果實現(xiàn)反饋，并增加電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器，如圖2所示，提高電源的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性．

在突加給定U*的起動過程中，電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器處在飽和狀態(tài)，電流I線性增加，直到設(shè)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(diào)節(jié)器開始發(fā)揮作用，使電流調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號按照電壓Uo的增長速率升高．階段3是輸出電壓調(diào)節(jié)階段，電壓調(diào)節(jié)器退出飽和維持恒定的輸出電壓．

2.2 電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計

調(diào)節(jié)過程表明，調(diào)節(jié)器的好壞是決定電源品質(zhì)的關(guān)鍵，以下分別是電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法．根據(jù)電源輸出的實際要求設(shè)定電壓反饋系數(shù)h=1/6，電流反饋系數(shù)f=1/30．假設(shè)dUo/dt≈0，依據(jù)工程設(shè)計的近似原則，忽略Uo對Uo1的反饋作用，把該系統(tǒng)預(yù)定為典型Ⅰ型二階系統(tǒng)．鑒于本系統(tǒng)的實現(xiàn)目標是雙環(huán)控制，設(shè)計時按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則依次進行．

首先考慮內(nèi)環(huán)參數(shù)的選?。娏髡{(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)設(shè)為Kpin.C（s），由于dUo/dt≈0且忽略Uo對Uo1的反饋作用，故得內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)

其中電感L的電阻為r。為使內(nèi)環(huán)成為預(yù)期的典型I型二階系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置方法如下：

式中Kp是調(diào)節(jié)器得比例系數(shù)，C（s）是比例-積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，K是被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，T1、T2是被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣性延遲系數(shù)．按照式（1），內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

所以內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

用相同方法配置外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器，設(shè)Gpout（s）=Kpout.C2（s）為外環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，把內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為外環(huán)設(shè)計的一部分，于是外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)

相應(yīng)地得出Gpout（s）的參數(shù)．

3 仿真結(jié)果及分析

設(shè)定仿真參數(shù)：電壓放大倍數(shù)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(shù)和內(nèi)環(huán)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(shè)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(tǒng)中，電壓反饋系數(shù)h調(diào)整為1/6.05，電壓調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kpout調(diào)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(tǒng)進行仿真，重載時R=1Ω，輕載時R=50Ω，其結(jié)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(tài)觀測器的估計可以實現(xiàn)PI反饋調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)性能滿足預(yù)期效果，系統(tǒng)靜差在R=1Ω時為0，在R=50Ω時為+0.25V．在動態(tài)方面，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后系統(tǒng)上升時間和超調(diào)量在不同負載情況下略有差別．當(dāng)R=1Ω時，上升時間約為0.07s，系統(tǒng)的超調(diào)量約為0；當(dāng)R=50Ω時，上升時間約為0.025s，系統(tǒng)的超調(diào)量約為55％。（可以根據(jù)二階系統(tǒng)的性能指標，精確計算該電源系統(tǒng)的上升時間、超調(diào)量等動靜態(tài)指標）．

4 結(jié)論

仿真結(jié)果證明，依據(jù)狀態(tài)觀測值實現(xiàn)反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的正確性和可行性，同時驗證了雙環(huán)控制系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)特性．在實際電路中，實現(xiàn)了無電壓傳感器的雙閉環(huán)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(diào)整外環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)可以得到和重載一樣好的輸出波形，故采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器有望獲得寬負載范圍的高品質(zhì)電源．

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