臺灣博碩士論文加值系統

滑動模式控制(Sliding mode control, SMC)近年來被廣泛使用於處理非線性系統的控制問題。進一步在本論文中我們提出不同於一般傳統的滑動控制，以終端動滑動模式控制(Terminal sliding mode control, TSMC)，對直流-直流降壓型電源轉換器(DC-DC Buck Converter)設計其控制器，不但保有滑動模式控制的優點，並且加入了終端收歛特性，並以Lyapunov函數做系統的收斂時間分析及穩定性分析，並且考慮實際被動元件上存在參數不確定誤差，我們加入適應性理論(Adaptive theory)，形成適應終端滑動模式控制(Adaptive terminal sliding mode control, ATSMC)，增加系統對不確定項的強健性(Robustness)，並以Barbalat’s lemma做最後的穩定性分析。
為驗證所提出的控制方法，首先利用Matlab完成TSMC與ATSMC這兩種控制器在負載變動及輸入變動下的輸出電壓模擬。接著，我們以電子電路實作直流-直流降壓型電源轉換器，利用dSPACE 1104 控制單板及Matlab工具箱(Simulink toolbox)實現適應性終端滑動控制器，而實作結果也證明此適應終端滑動理論可應用於降壓型電源轉換器的控制，在負載變化或電源電壓變動下均有輸出電壓穩壓效果。

Sliding mode control is widely used in recent years to deal with the control problems of nonlinear systems. In this dissertation we applied terminal sliding mode control (TSMC) which is different from traditional sliding mode control on DC - DC buck converter design. It not only retains the advantages of sliding mode control but also includes terminal convergence characteristics. Furthermore, the system stability is discussed using Lyapunov function analysis. When considering the actual derivation error uncertainty in passive components, the controller is proceeded by adding an adaptive machine into adaptive terminal sliding mode control (ATSMC). As a result, the system uncertainty is allowed, i.e. the controller provides high robustness. In addition, Barbalat's lemma is also applied for stability analysis.
To verify the control performances, we first perform simulations in the output voltage control when the load and input source are uncertain, i.e., the load changes and input changes. Next, the DC-DC Buck converter control is implemented. The adaptive terminal sliding mode controller is realized using dSPACE 1104 and Simulink toolbox. Experiment results show satisfactory performance even under load and the input voltage variations.

目錄
頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
本文大綱 IV
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 X

第一章　緒論 1
1-1 概述 1
1-2 基礎型交換式電源轉換器的定義與原理介紹 3
1-3 研究動機 5
第二章　Variable structure control系統 7
2-1 變結構控制簡介 7
2-2 滑動模式控制原理 7
2-3 滑模控制的研究方向 10
2-4 終端滑模控制(Terminal sliding mode control) 10
2-4-1 終端滑模的基本概念 10
2-4-2 一般終端滑模設計 10
2-4-3 非奇異終端滑模設計 11
2-5 結論 12
第三章　降壓型DC-DC電源轉換器模式推導及控制設計 13
3-1 轉換器型態之介紹 13
3-2 降壓型DC-DC電源轉換器的元件特性 14
3-3 降壓型DC-DC電源轉換器數學模式建立 15
3-4 終端滑模系統的輸出調整 18
3-4-1 終端滑模平面設計 19
3-4-2 控制器設計 20
3-5 TSMC模擬參數設計與結果 21
3-6 適應性終端滑模控制(Adaptive terminal sliding mode control) 27
3-7 ATSMC模擬參數設計與結果 30
3-8 結論 36
第四章　降壓型電源轉換器電路設計與實作結果 37
4-1 前言 37
4-2 DS1104控制器 37
4-2-1 DS1104 A/D方塊 39
4-2-2 DS1104 PWM 方塊 39
4-3 MOSFET閘極驅動電路的設計 39
4-4 電流檢測 41
4-5 轉換器元件的設計 41
4-6 實作結果 44
4-7 結論 53
第五章　結論與未來展望 54
5-1 結論 54
5-2 未來展望 54
參考文獻 55
附錄一 58
附錄二 59

圖目錄
頁次
圖1-1　 電源轉換器方塊圖 1
圖1-2　 線性式電源轉換器方塊圖 2
圖1-3　 交換式電源供應器方塊圖 2
圖1-4　 buck型式電源轉換器電路圖 4
圖1-5　 boost型式電源轉換器電路圖 4
圖1-6　 buck-boost型式電源轉換器電路圖 5
圖2-1　 系統的滑動模式 8
圖2-2　 滑模控制架構 8
圖2-3　 滑模控制的抖振 9
圖3-1　 理想降壓型DC-DC電源轉換器 13
圖3-2　 MOSFET、Diode等元件的符號及ON、OFF等效電路 14
圖3-3　 電感器及電容器等元件的符號及等效電路 14
圖3-4　 實際降壓型DC-DC電源轉換器 15
圖3-5　 轉換器在MOSFET “ON”，Diode “OFF” 動作的狀態 15
圖3-6　 轉換器在MOSFET “OFF”，Diode “ON” 動作的狀態 16
圖3-7　 降壓型轉換器使用終端滑模控制的輸出電壓 23
圖3-8　 終端滑模的控制力 23
圖3-9　 終端滑模控制的誤差 24
圖3-10 終端滑模函數 24
圖3-11 輸入電壓為20V時，負載由 的輸出電壓 25
圖3-12 輸入電壓為20V時，負載由 的電感電流 25
圖3-13 輸入電壓為20V時，負載由 的滑模函數 26
圖3-14 輸入電壓為20V時，負載由 的控制力 26
圖3-15 輸入電壓為20V時，負載由 的輸出電壓 27
圖3-16 適應終端滑模控制的輸出電壓 31
圖3-17 適應終端滑模函數 32
圖3-18 輸入電壓具有不確定性項時的輸出電壓 32
圖3-19 輸入電壓具有不確定性項時的控制力 33
圖3-20 輸入電壓為20V時，負載由 的輸出電壓 33
圖3-21 輸入電壓為20V時，負載由 的滑模函數 34
圖3-22 輸入電壓由 時的變化 34
圖3-23 輸入電壓由 時的控制力 35
圖3-24 輸入電壓由 時的輸出電壓 35
圖4-1　 DS1104的架構 38
圖4-2　 DS1104的實驗流程 38
圖4-3　 DS1104 A/D方塊 39
圖4-4　 DS1104 PWM 方塊 39
圖4-5　 RC緩衝電路 40
圖4-6　 MOSFET閘極(Gate)驅動電路 41
圖4-7　 降壓型轉換器電感電流波形 43
圖4-8　 降壓型轉換器電容電壓波形 44
圖4-9　 降壓型轉換器實作負載由 的輸出電壓 45
圖4-10 降壓型轉換器實作負載由 的滑模函數 45
圖4-11 降壓型轉換器實作負載由 的控制力 46
圖4-12 降壓型轉換器實作負載由 的輸出電壓 46
圖4-13 降壓型轉換器實作負載由 的滑模函數 47
圖4-14 降壓型轉換器實作負載由 的控制力 47
圖4-15 輸入電壓由 時的輸出電壓 48
圖4-16 降壓型轉換器實作輸入電壓由 的控制力 48
圖4-17 降壓型轉換器實作輸入電壓由 的滑模函數 49
圖4-18 一般滑動控制於降壓型轉換器實作負載由 的輸出電壓 50
圖4-19 一般滑動控制於降壓型轉換器實作負載由 的控制力 50
圖4-20 一般滑動控制於降壓型轉換器實作負載由 的滑模函數 51
圖4-21 一般滑動控制於降壓型轉換器實作輸入電壓 的輸出電壓 51
圖4-22 一般滑動控制於降壓型轉換器實作輸入電壓 的控制力 52
圖4-23 一般滑動控制於降壓型轉換器實作輸入電壓 的滑模函數 52
附圖一 降壓型電源轉換器之電路圖 58
附圖二 降壓型電源轉換器之負載電路圖 59

表目錄
頁次
表1-1　線性式與交換式電源轉換器之優缺點比較 3
表1-2　滑動控制的應用 6
表3-1　PWM降壓型電源轉換器的參數值 22
表4-1　元件規格表 44

參考文獻

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