電力電子變換器的滑模控制技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

內(nèi)容概要

本書(shū)首先介紹了滑?？刂频幕驹?，并對(duì)滑模控制在電力電子變換器中的研究現(xiàn)狀做了綜述。隨后的內(nèi)容分為3部分：基于滯環(huán)調(diào)制的滑?？刂啤WM滑?？刂?、帶電流控制滑動(dòng)流形的滑模控制等新型滑?？刂?。對(duì)于每種控制器，本書(shū)中均給出了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)過(guò)程，并用模擬電路實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。本書(shū)適合電氣工程、電子工程和自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)的研究生和學(xué)者閱讀，還可以作為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員的參考書(shū)籍。

書(shū)籍目錄

第1章滑?？刂苹A(chǔ)()
1?1簡(jiǎn)介()
1?2基本理論()
1?3滑模運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)()
1?3?1理想控制()
1?3?2實(shí)際限制因素和抖振()
1?3?3恒動(dòng)態(tài)()
1?3?4準(zhǔn)滑?？刂?)
1?4數(shù)學(xué)描述()
1?4?1到達(dá)條件()
1?4?2存在條件()
1?4?3穩(wěn)定性條件()
1?4?4具有線性滑動(dòng)流形的系統(tǒng)()
1?4?5具有非線性滑動(dòng)流形的系統(tǒng)()
1?5等效控制()
1?6各種實(shí)現(xiàn)方法()
1?6?1繼電器和正負(fù)號(hào)函數(shù)()
1?6?2滯環(huán)函數(shù)()
1?6?3等效控制函數(shù)()
第2章電力電子變換器及其控制綜述()
2?1介紹()
2?2基本DC-DC變換器()
2?3DC-DC變換器的工作模式()
2?4控制概述()
2?5影響控制性能的因素()
2?5?1開(kāi)關(guān)頻率()
2?5?2儲(chǔ)能元件()
2?5?3控制增益()
2?6通用控制技術(shù)()
2?6?1滯環(huán)控制器()
2?6?2脈沖寬度調(diào)制控制器()
2?6?3設(shè)計(jì)方法()
2?6?4小信號(hào)模型和補(bǔ)償存在的問(wèn)題()
2?7各種新型控制方法()
2?7?1自適應(yīng)控制()
2?7?2模糊邏輯控制()
2?7?3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制()
2?7?4單周控制()
2?7?5滑?？刂?)
第3章電力電子變換器的滑模控制()
3?1介紹()
3?2文獻(xiàn)綜述()
3?2?1早期文獻(xiàn)()
3?2?2高階變換器()
3?2?3并聯(lián)變換器()
3?2?4理論性文獻(xiàn)()
3?2?5應(yīng)用性文獻(xiàn)()
3?2?6定頻滑?？刂破?)
3?2?7附注()
3?3滑模控制在DC-DC變換器中應(yīng)用的特性()
3?3?1滑?？刂茖?shí)現(xiàn)的一般性原理()
3?3?2電力電子變換器的恒動(dòng)態(tài)()
3?3?3電力電子變換器的準(zhǔn)滑模控制()
3?3?4基于滯環(huán)調(diào)制的常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法()
3?4電力電子變換器中的定頻滑?？刂破?)
3?4?1基于脈沖寬度調(diào)制的滑?？刂破?)
3?4?2占空比控制()
3?5幾條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則()
3?6模擬實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)際問(wèn)題()
第4章基于滯環(huán)調(diào)制的滑?？刂破?)
4?1介紹()
4?2理論推導(dǎo)()
4?2?1降壓變換器的數(shù)學(xué)模型()
4?2?2理想滑模電壓控制器的設(shè)計(jì)()
4?2?3實(shí)際滑模電壓控制器的設(shè)計(jì)()
4?3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)過(guò)程()
4?3?1標(biāo)準(zhǔn)SMVC變換器模型()
4?3?2設(shè)計(jì)步驟()
4?4實(shí)驗(yàn)結(jié)果()
4?4?1設(shè)計(jì)方程的驗(yàn)證()
4?4?2穩(wěn)態(tài)性能()
4?4?3負(fù)載變化()
4?4?4輸入電壓變化()
4?4?5α變化()
4?4?6ESR變化()
4?5進(jìn)一步討論()
4?5?1優(yōu)點(diǎn)()
4?5?2缺點(diǎn)()
4?5?3可行的解決方法()
第5章基于滯環(huán)調(diào)制的自適應(yīng)滑模控制器()
5?1介紹()
5?2常規(guī)滯環(huán)滑?？刂破鞯姆治?)
5?2?1數(shù)學(xué)模型()
5?2?2存在的問(wèn)題()
5?2?3可行的解決方法()
5?3自適應(yīng)前饋控制策略()
5?3?1理論()
5?3?2實(shí)現(xiàn)方法()
5?4自適應(yīng)反饋控制策略()
5?4?1理論()
5?4?2實(shí)現(xiàn)方法()
5?5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論()
5?5?1輸入電壓變化()
5?5?2負(fù)載變化()
附注()
第6章連續(xù)導(dǎo)電模式電力電子變換器PWM滑?？刂破鞯囊话阍O(shè)計(jì)方法()
6?1介紹()
6?2研究背景()
6?3設(shè)計(jì)方法()
6?3?1系統(tǒng)建模()
6?3?2控制器設(shè)計(jì)()
6?3?3附注()
6?4仿真結(jié)果與討論()
6?4?1降壓變換器()
6?4?2升壓變換器()
6?4?3升降壓變換器()
第7章斷續(xù)導(dǎo)電模式電力電子變換器PWM滑?？刂破鞯囊话阍O(shè)計(jì)方法()
7?1介紹()
7?2DCM變換器的狀態(tài)空間模型()
7?3設(shè)計(jì)方法()
7?3?1系統(tǒng)建模()
7?3?2控制器設(shè)計(jì)()
7?4仿真結(jié)果與討論()
7?4?1降壓變換器()
7?4?2升壓變換器()
7?4?3升降壓變換器()
7?5DCM滑模控制的其他應(yīng)用：混合雙工作模式控制器()
7?5?1背景知識(shí)()
7?5?2控制器結(jié)構(gòu)()
7?5?3仿真結(jié)果與討論()
第8章電力電子變換器PWM滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)()
8?1介紹()
8?2降壓變換器的PWM滑模電壓控制器()
8?2?1數(shù)學(xué)模型()
8?2?2考慮設(shè)計(jì)參數(shù)后的存在條件()
8?2?3選擇滑動(dòng)系數(shù)()
8?2?4控制器的實(shí)現(xiàn)()
8?2?5結(jié)果與討論()
8?3升壓變換器的PWM滑模電壓控制器()
8?3?1數(shù)學(xué)模型()
8?3?2控制器的實(shí)現(xiàn)()
8?3?3實(shí)驗(yàn)樣機(jī)()
8?3?4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論()
第9章帶電流控制滑動(dòng)流形的滑模控制()
9?1介紹()
9?2升壓型變換器使用電流模式控制的必要性()
9?3滑模電流控制器()
9?3?1產(chǎn)生合適的參考電流()
9?3?2滑動(dòng)面()
9?3?3控制器/變換器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型及其等效控制()
9?3?4控制器的結(jié)構(gòu)()
9?3?5存在條件()
9?3?6穩(wěn)定性條件()
9?3?7選擇滑動(dòng)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法()
9?3?8附注()
9?4結(jié)果與討論()
9?4?1調(diào)節(jié)性能()
9?4?2動(dòng)態(tài)性能()
第10章高階變換器帶減狀態(tài)滑動(dòng)流形的滑?？刂?)
10?1介紹()
10?2Cuk變換器的常規(guī)滑?？刂破?)
10?2?1Cuk變換器的狀態(tài)空間模型()
10?2?2全狀態(tài)滑模控制器()
10?2?3減狀態(tài)滑?？刂破?)
10?3定頻減狀態(tài)滑模電流控制器()
10?3?1滑動(dòng)面()
10?3?2控制器/變換器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型及其等效控制()
10?3?3控制器結(jié)構(gòu)()
10?3?4存在條件()
10?3?5穩(wěn)定性條件()
10?3?6選擇滑動(dòng)系數(shù)()
10?3?7補(bǔ)充說(shuō)明()
10?4結(jié)果與討論()
10?4?1穩(wěn)態(tài)性能()
10?4?2動(dòng)態(tài)性能()
第11章帶二重積分滑動(dòng)面的間接滑?？刂?)
11?1介紹()
11?2發(fā)現(xiàn)問(wèn)題()
11?2?1滯環(huán)調(diào)制滑?？刂破?)
11?2?2間接滑?？刂破?)
11?2?3間接ISM控制變換器存在穩(wěn)態(tài)誤差的解析()
11?3可行的解決方法()
11?4二重積分滑動(dòng)面在PWM型間接滑模控制器中的應(yīng)用()
11?4?1二重積分滑?？刂破?)
11?4?2PWM形式DISM控制器的結(jié)構(gòu)()
11?4?3存在條件()
11?4?4穩(wěn)定性條件()
11?5結(jié)果與討論()
11?5?1PWM DISM降壓變換器仿真結(jié)果()
11?5?2PWM DISM升壓變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果()
參考文獻(xiàn)()

章節(jié)摘錄

　　序隨著電源和電氣\/電子負(fù)載的特性變得越來(lái)越多樣化、非線性和不可預(yù)測(cè)，為變換器提供必要功率處理功能的變換器控制將在性能優(yōu)化和維持各種工作條件下所必需的魯棒性方面扮演關(guān)鍵的角色。人們發(fā)現(xiàn)基于小信號(hào)線性技術(shù)的常規(guī)控制方法無(wú)法使這些系統(tǒng)獲得所需的調(diào)節(jié) 性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，并在研究能夠滿足電力電子變換器系統(tǒng)這種復(fù)雜要求的先進(jìn)控制方法方面做了大量的研究。特別是滑?？刂?、模糊控制、自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制理論已經(jīng)應(yīng)用于這類(lèi)系統(tǒng)的控制中，它們的可行性也得到了研究。其中，滑?？刂频玫降难芯孔顬閺V泛。研究表明，滑?？刂茖?duì)當(dāng)前和未來(lái)電力電子變換器而言均是一種非常有前景的控制方法。為了順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，并且利用滑模控制理論框架已經(jīng)較為成熟的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)電力電子變換器的滑?？刂破鬟M(jìn)行全面的介紹正是時(shí)候。本書(shū)對(duì)這種控制器進(jìn)行了深入而全面的介紹，要點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工程化設(shè)計(jì)，使其適合于電力電子變換器的控制。目前，相關(guān)知識(shí)的介紹是及時(shí)而必要的，特別由于電子工業(yè)具有使用可再生能源的趨勢(shì)且負(fù)載的差異越來(lái)越大，只有使用非線性控制器才能足以滿足要求。作者在寫(xiě)作本書(shū)時(shí)考慮了如下目標(biāo)。首先，作者旨在為一般讀者提供滑模控制在電力電子變換器系統(tǒng)中應(yīng)用原理和方法的全面介紹。此外，對(duì)于更高級(jí)的讀者，作者將為他們系統(tǒng)論述構(gòu)造滑模控制器的數(shù)學(xué)機(jī)理和設(shè)計(jì)原理，在此基礎(chǔ)上，介紹設(shè)計(jì)這類(lèi)控制器的新型實(shí)踐性方法。本書(shū)的第三個(gè)目標(biāo)是介紹基于模擬電路的滑模控制器實(shí)現(xiàn)方法和相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。最后使讀者從實(shí)際角度理解非線性控制，在此過(guò)程中使用工程師日常交流時(shí)經(jīng)常使用的術(shù)語(yǔ)。總而言之，《電力電子變換器的滑?？刂萍夹g(shù)與實(shí)現(xiàn)》這本書(shū)將為讀者理解滑?？刂圃?、滑?？刂圃陔娏﹄娮幼儞Q器中的應(yīng)用和滑模控制器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)。通過(guò)將理論與應(yīng)用結(jié)合，并將數(shù)學(xué)概念、模型與它們的工業(yè)目標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，本書(shū)對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)、電力電子技術(shù)或控制工程背景的讀者而言同樣具有可讀性。我們相信本書(shū)將引起電氣和電子工程領(lǐng)域?qū)W生和專(zhuān)業(yè)人員的興趣。與此同時(shí)，我們也相信我們提出的電力電子變換器滑模控制器的建模和實(shí)現(xiàn)方法將幫助電力電子和IC產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)業(yè)人員設(shè)計(jì)出有效和高性能的電力電子變換器控制器。本書(shū)是按照如下方式組織的。首先，第1章 將討論滑?？刂频幕驹砗屠碚?，使讀者熟悉滑?？刂频闹饕g(shù)語(yǔ)和背景。第2章 將對(duì)電力電子變換器及其控制方法進(jìn)行綜述，此外還簡(jiǎn)要討論常用的控制技術(shù)以及當(dāng)前電力電子變換器控制技術(shù)的研究進(jìn)展。第3章 將著重介紹與滑模控制器在電力電子變換器中應(yīng)用相關(guān)的重要概念、工作原理和特性,還將詳細(xì)介紹電力電子變換器滑?？刂破鞯淖钚卵芯砍晒鸵话阍O(shè)計(jì)過(guò)程。隨后，第4章 將介紹電力電子變換器滯環(huán)調(diào)制滑?？刂破鞯膶?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程。第5章 將全面討論傳統(tǒng)滑?？刂埔蚬ぷ鳁l件偏移引起的開(kāi)關(guān)頻率變化問(wèn)題，以及將自適應(yīng)控制應(yīng)用于滑?？刂平鉀Q上述問(wèn)題的有效性。第6章 將介紹連續(xù)導(dǎo)電模式電力電子變換器定頻滑?？刂茖?shí)現(xiàn)的實(shí)用技術(shù)。緊接著，第7章 進(jìn)一步研究用等效控制實(shí)現(xiàn)定頻滑?？刂破鞯姆椒ǎ〝嗬m(xù)導(dǎo)電模式變換器系統(tǒng)模型和滑?？刂坡傻耐茖?dǎo)。第8章 將討論擴(kuò)展至脈沖寬度調(diào)制滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)和實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)。到此為止，本書(shū)的討論集中于使用變換器輸出電壓作為控制變量，構(gòu)造滑動(dòng)流形的滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第9章 至第11章 將滑模控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展至具有非常規(guī)滑動(dòng)流形的功率變換器，它們的滑動(dòng)流形是由電流誤差和電壓誤差用非線性方法構(gòu)造的。第9章 討論基于電流誤差和電壓誤差的滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。第10章 討論的重點(diǎn)是如何用減狀態(tài)非線性滑動(dòng)流形控制如Cuk變換器的高階變換器。第11章 討論用于改善穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié) 能力的基于二重積分滑動(dòng)面的非常規(guī)滑?？刂破?。本書(shū)得以完成，作者必須真誠(chéng)地感謝許多人和組織機(jī)構(gòu)。首先感謝香港理工大學(xué)電子與信息工程系的所有朋友和同事，以及應(yīng)用非線性系統(tǒng)研究小組的成員，感謝你們的友誼、支持和鼓勵(lì)。特別感謝西班牙TarragonaRoviraiVirgili大學(xué)的LuisMartínez-Salamero教授，他不僅是一位偉大的朋友，還是我們部分 研究工作的重要合作者。迄今為止，Luis是作者個(gè)人所知道的電力電子滑?？刂祁I(lǐng)域最博學(xué)之人。作者還借此機(jī)會(huì)感謝AshokaBhat教授、MartinChow博士、AdrianIoinovici教授、JoeLiu博士、FrankiPoon博士、SiuChungWong博士和XinboRuan教授，他們都是電力電子各領(lǐng)域內(nèi)的專(zhuān)家，作者有幸與他們共事，并且從他們身上學(xué)到了很多東西。作者還要感謝CRC出版社的職員，特別是LeongLiMing女士和AmyBlalock女士，感謝她們?yōu)楸緯?shū)提供專(zhuān)業(yè)和熱情的支持。如果沒(méi)有香港研究資助局和香港理工大學(xué)研究委員會(huì)的財(cái)政支持，本書(shū)的研究工作將不可能完成。最后但同樣重要的是，必須感謝作者的家人在作者整個(gè)學(xué)術(shù)研究過(guò)程中的支持和理解。最后，很榮幸地將本書(shū)獻(xiàn)給所有熱情參與滑模控制和電力電子變換器控制工作的人們。Siew-ChongTan（陳秀聰）Yuk-MingLai（黎沃銘）ChiKongTse（謝智剛）譯者序電力電子變換器的滑?？刂萍夹g(shù)與實(shí)現(xiàn)譯者序電力電子變換器的作用是完成各種電能變換，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？刂撇糠?是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，在主電路拓?fù)湎嗤那闆r下，設(shè)計(jì)成功的控制器可以使變換器獲得更理想的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。目前，人們開(kāi)始采用各種先進(jìn)控制方法來(lái)滿足功率變換系統(tǒng)的復(fù)雜要求。其中，滑?？刂剖?0世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種非線性控制方法，其狀態(tài)反饋控制率根據(jù)狀態(tài)變量在狀態(tài)空間中的當(dāng)前位置以高頻在一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)和另一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)之間切換，其目標(biāo)是迫使被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精確跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望動(dòng)態(tài)。系統(tǒng)采用滑?？刂坪螅梢员ＷC在參數(shù)不確定的情況下獲得穩(wěn)定性和魯棒性。另外，作為一種在設(shè)計(jì)選擇中具有高度靈活性的控制方法，滑?？刂葡啾扔谄渌蔷€性控制方法更易于實(shí)現(xiàn)。因此，在多種先進(jìn)控制方法中，滑?？刂圃陔娏﹄娮幼儞Q器中得到了最為廣泛的研究，其控制效果要優(yōu)于模糊控制和自適應(yīng)控制。本書(shū)采用自上而下的方法討論常規(guī)及新型滑模控制技術(shù)，內(nèi)容涵蓋從公式推導(dǎo)到用模擬電路實(shí)現(xiàn)的方方面面，具體內(nèi)容和特點(diǎn)如下。1？全面綜述了滑模控制的原理和方法。2？系統(tǒng)論述了滑?？刂频臄?shù)學(xué)機(jī)理和控制器的設(shè)計(jì)原理，隨后介紹了新型滑?？刂品椒?。3？論證了基于模擬電路的滑模控制器實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)規(guī)則。4？從實(shí)踐角度為一般非線性控制的實(shí)現(xiàn)提供了指導(dǎo)，在寫(xiě)作時(shí)使用人們熟悉的工程性術(shù)語(yǔ)。本書(shū)適合電氣工程、電子工程和自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)的研究生和學(xué)者閱讀，還可以作為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員的參考書(shū)籍。本書(shū)的翻譯工作由廣州大學(xué)副教授王曉剛博士完成，華南理工大學(xué)謝運(yùn)祥教授審閱了本書(shū)并提出了寶貴的意見(jiàn)，在此表示感謝。廣州大學(xué)的張杰、舒華、梁忠偉、張承云、肖忠、王建暉、黃高飛、蔡陽(yáng)生、高星輝、林婷參與了本書(shū)的翻譯。還要感謝電子工業(yè)出版社的柴燕編輯，她為本書(shū)的出版做了大量的工作。由于譯者水平有限，書(shū)中難免有不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。王曉剛2012年6月

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