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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊文魁
論文名稱:切換式降壓型DC-DC轉換器之滑動模態控制器設計
論文名稱(外文):Sliding Mode Control Design of Switching Buck DC-DC Converters
指導教授:蔡清池
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:滑動模態控制修正比例積分微分
外文關鍵詞:Sliding Mode Controlmodified PID
相關次數:
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中文摘要
本論文旨在研發單組及多組並聯切換式降壓型直流對直流轉換器的修正比例積分微分滑動模態控制器設計。以納入不確定性負載之線性平均模型來建立轉換器的狀態空間數學模式,其中可將負載的變動,參數的變化,及雜訊視為不確定性負載。基於上述建構的方法,就其狀態空間變數之不同,提出兩種數學模型,一是以vo,ic 為狀態變數,另一則以vo,ic,iL為變數之狀態空間數學模型,分別做為單組降壓型直流對直流轉換器的控制器設計基礎以電腦模擬,證明所提出之控制器能使轉換器輸出電壓有優越的強健性及良好控制性能。
針對多組降壓型直流對直流轉換器並聯運作,本論文提出加入電流誤差回授之修正型比例積分微分滑動模態作為控制器的設計法則,使系統電流分配平均且電壓有良好的穩壓性能。經由電腦模擬分析驗證,所提出的控制器能使多組並聯降壓型轉換器輸出電壓對負載電流的變動有很好的強健性,且各組轉換器均能提供相同之輸出電流。最後應用交錯式工作模態,對多組降壓型直流對直流轉換器並聯運作下的輸出電流漣波值及開關元件交換損失進行改善,以增加系統功能與效率。

Abstract
This thesis develops modified PID(proportional-integral-derivative)-like sliding mode controllers for single buck DC-DC converter and paralleled buck DC-DC converters. The single buck DC-DC converters can be modeled as linear averaged systems with changeable loads, noise and parameter perturbations of uncertain load. Two models with different chosen state variables are employed to design the sliding mode controllers for buck DC-DC converters; the first one has two state variables of VO and iC and the second one three state variables of VO, iC and iL. These proposed control methods have been verified by computer simulation and their control performance has been shown to be satisfactory.
Modified PID-like slide model control laws for parallel connected buck DC-DC converters are presented to achieve both equal output current distribution and robust voltage regulation. Simulation results show that such controllers improve greatly the dynamic performance of parallel buck DC-DC converters, the controlled output voltage is robust against load disturbances and the controlled output current of each converter cell is identical. Finally, an interleave control method is introduced in order to reduce the switching loss and the ripple of output current.

目錄
中文摘要……………………………………………………………………… i
英文摘要……………………………………………………………………..ii
目錄…………………………………………………………………………. iii
圖目錄………………………………………………………………………… vi
表目錄………………………………………………………………………….x
第一章 緒論 ……………………………………………………………… 1
1.1前言 …………………………………………………………… 1
1.2研究動機與目標 …………………………………………… 2
1.3文獻回顧 ……………………………………………………… 4
1.4論文大綱 …………………………………………………….. 5
第二章 單組切換式降壓型DC-DC轉換器之修正積分微分滑動模態控制器設計與電腦模擬 .………………………………………………… 7
2.1簡介 ………………………………………………………….. 7
2.2不考慮iL電流量之控制器設計與模擬 ……………………… 9
2.2.1數學模型的建立 ……………………………………… 9
2.2.2控制器設計方法 ………………………………………12
2.2.3電腦模擬與討論 ………………………………………14
2.3考慮iL電流量之控制器設計與模擬……………………………….20
2.3.1數學模型的建立………………………………………..20
2.3.2控制器設計……………………………………………..22
2.3.3電腦模擬與討論………………………………………..24
2.4本章結論………………………………………………………. 28
第三章 多組切換式降壓型DC-DC轉換器操作之修正積分微分滑動模態控制器設計與模擬 ………………………………………………… 30
3.1簡介……………………………………………………………. 30
3.2考慮電容之等效串聯電阻 之修正積分微分滑動模態控制器
設計與模擬…………………………………………………….31
3.2.1數學模型的建立 ……………………………………….32
3.2.2修正積分微分滑動模態控制器設計…………………..36
3.2.3電腦模擬與討論………………………………………..39
3.3忽略電容之等效串聯電阻 ,修正積分微分滑動模態控制器設計與模擬……………………………………………………….43
3.3.1數學模型的建立………………………………………..44
3.3.2修正積分微分滑動模態控制器設計…………………..48
3.3.3電腦模擬與討論…………………………………………51
3.4本章結論…………………………………………………………58
第四章 多組切換式降壓型DC-DC轉換器並聯系統之交錯式控制與模擬..60
4.1簡介……………………………………………………………. 60
4.2交錯式PWM工作原理…………………………………………..61
4.2.1電源轉換器並聯同步運作下之輸出電流漣波………..61
4.2.2電源轉換器並聯交錯式運作下之輸出電流漣波……..61
4.3交錯式PWM與同步式PWM轉換器之電腦模擬……………62
4.3.1同步式工作模式………………………………………. 62
4.3.2交錯式工作模式………………………………………. 65
4.4本章結論………………………………………………………. 65
第五章 總結與建議…………………………………………………………. 68
5.1總結……………………………………………………………. 68
5.2建議……………………………………………………………. 70
參考文獻……………………………………………………………………….71
圖目錄
圖2-1 可變負載電阻RL之PWM降壓型DC-DC轉換器模型……………….. 8
圖2-2 具不確定負載iN之PWM降壓型DC-DC轉換器模型…………………8
圖2-3 降壓型DC-DC轉換器線性平均等效電路模型……………………..10
圖2-4 順滑平面S選擇臨界尼系統暫態響應圖…………………………. 16
圖2-5 順滑平面S選擇過阻尼系統暫態響應圖…………………………. 16
圖2-6 滑平面S選擇欠阻尼系統暫態響應圖……………………………. 17
圖2-7 順滑平面S的切換圖………………………………………………. 17
圖2-8 無修正積分控制器時系統暫態響應圖……………………………. 18
圖2-9 t=0.02秒時,負載電流由1安培增加至3安培, t=0.03秒時再由
3安培恢復至1安培,系統響應圖……………………………….. 18
圖2-10 t=0.02秒時E由20V 15V,t=0.03時E由15V 20V之響應.. 19
圖2-11 t=0.02秒時E由20V 25V,t=0.03時E由25V 20V之響應.. 19
圖2-12 t=0.02秒時參考電壓由10伏特調至15伏特,t=0.03秒時參考電壓再由15伏特調回10伏特,追蹤參考電壓的響應曲線………..20
圖2-13 順滑平面S選擇臨界尼系統暫態響應圖………………………… 25
圖2-14 t=0.02秒時,負載電流由1安培增加至3安培, t=0.03秒時再由3安培恢復至1安培,系統響應圖 ………………………….. 26
圖2-15 t=0.02秒時E由20V 15V,t=0.03秒時E由15V 20V之輸出電壓響應圖………………………………………………………….. 26
圖2-16 t=0.02秒時E由20V 25V,t=0.03秒時E由25V 20V之輸出電壓響應圖…………………………………………………………….. 27
圖2-17 t=0.02秒時參考電壓由10伏特調至15伏特,t=0.03秒時參考電
壓再由15伏特調回10伏特,追蹤參考電壓響應曲線…………. 27
圖2-18 單組轉換器與控制器之電路架構圖……………………………….28
圖3-1 內涵電容之等效串聯電阻 的n-組降壓型轉換器並聯系統的線性
平均等效電路模型………………………………………………… 32
圖3-2 t=0.02秒時E由20V 25V,t=0.03秒時E由25V 20V之輸出電壓響應圖………………………………………………………….. 41
圖3-3 t=0.02秒時E由20V 15V,t=0.03秒時E由15V 20V之輸出電壓響應圖…………………………………………………………… 41
圖3-4 t=0.02秒,負載電流由1變為2A; t=0.03秒由2恢復至1A之輸出電壓響應圖………………………………………………………… 42
圖3-5 t=0.02秒時參考電壓由10伏特調至15伏特,t=0.03秒時參考電壓再由15伏特調回10伏特,追蹤參考電壓的響應曲線……… 42
圖3-6 t=0.02秒時,負載電流由1安培增加至2安培,各組電源轉換器電感電流……………………………………………………………… 43
圖3-7 忽略電容等效串聯電阻 之n組降壓型轉換器並聯系統的線性平均等效電路模型……………………………………………………… 45
圖3-8 無電流迴授控制各轉換器電感電流(iL1;Il2 ;iL3)…………. 54
圖3-9 無電流迴授控制時,負載電流變動,輸出電壓響應…………….. 54
圖3-10 E於t=0.02秒時由20v→25v,於t=0.03秒時25v→20v……… 55
圖3-11 E於t=0.02秒時由20v→15v,於t=0.03秒時15v→20v……… 55
圖3-12 t=0.02秒時,負載電流1A→3A, t=0.03秒由3A→1A………… 56
圖3-13 各組電源轉換器電感電流…………………………………………. 56
圖3-14第3組轉換器於t=0.02秒時停機,各組轉換器電感電流……… 57
圖3-15追蹤參考電壓之輸出電壓響應曲線………………………………. 57
圖3-16第三組轉換器於t=0.02秒時發生故障,負載電流與輸出電壓的響應圖……………………………………………………………….. 58
圖3-17 降壓型DC-DC轉換器並聯操作系統與控制器之電路架構圖….. 59
圖4-1 同步式PWM操作下各組轉換器電感電流波形………………….. 63
圖4-2 同步式PWM操作下各組轉換器開關元件工作週期………………63
圖4-3 同步式PWM操作下輸出電流漣波波形……………………………64
圖4-4 同步式PWM操作下輸出電壓漣波波形………………………….. 64
圖4-5 交錯式PWM操作下各組轉換器電感電流波形………………….. 66
圖4-6 交錯式PWM操作下各組轉換器開關元件之工作週期………….. 66
圖4-7 交錯式PWM操作下輸出電流漣波波形……………………………67
圖4-8 交錯式PWM操作下輸出電壓漣波波形………………………….. 67
目錄
中文摘要……………………………………………………………………… i
英文摘要……………………………………………………………………..ii
目錄…………………………………………………………………………. iii
圖目錄………………………………………………………………………… vi
表目錄………………………………………………………………………….x
第一章 緒論 ……………………………………………………………… 1
1.1前言 …………………………………………………………… 1
1.2研究動機與目標 …………………………………………… 2
1.3文獻回顧 ……………………………………………………… 4
1.4論文大綱 …………………………………………………….. 5
第二章 單組切換式降壓型DC-DC轉換器之修正積分微分滑動模態控制器設計與電腦模擬 .………………………………………………… 7
2.1簡介 ………………………………………………………….. 7
2.2不考慮iL電流量之控制器設計與模擬 ……………………… 9
2.2.1數學模型的建立 ……………………………………… 9
2.2.2控制器設計方法 ………………………………………12
2.2.3電腦模擬與討論 ………………………………………14
2.3考慮iL電流量之控制器設計與模擬……………………………….20
2.3.1數學模型的建立………………………………………..20
2.3.2控制器設計……………………………………………..22
2.3.3電腦模擬與討論………………………………………..24
2.4本章結論………………………………………………………. 28
第三章 多組切換式降壓型DC-DC轉換器操作之修正積分微分滑動模態控制器設計與模擬 ………………………………………………… 30
3.1簡介……………………………………………………………. 30
3.2考慮電容之等效串聯電阻 之修正積分微分滑動模態控制器
設計與模擬…………………………………………………….31
3.2.1數學模型的建立 ……………………………………….32
3.2.2修正積分微分滑動模態控制器設計…………………..36
3.2.3電腦模擬與討論………………………………………..39
3.3忽略電容之等效串聯電阻 ,修正積分微分滑動模態控制器設計與模擬……………………………………………………….43
3.3.1數學模型的建立………………………………………..44
3.3.2修正積分微分滑動模態控制器設計…………………..48
3.3.3電腦模擬與討論…………………………………………51
3.4本章結論…………………………………………………………58
第四章 多組切換式降壓型DC-DC轉換器並聯系統之交錯式控制與模擬..60
4.1簡介……………………………………………………………. 60
4.2交錯式PWM工作原理…………………………………………..61
4.2.1電源轉換器並聯同步運作下之輸出電流漣波………..61
4.2.2電源轉換器並聯交錯式運作下之輸出電流漣波……..61
4.3交錯式PWM與同步式PWM轉換器之電腦模擬……………62
4.3.1同步式工作模式………………………………………. 62
4.3.2交錯式工作模式………………………………………. 65
4.4本章結論………………………………………………………. 65
第五章 總結與建議…………………………………………………………. 68
5.1總結……………………………………………………………. 68
5.2建議……………………………………………………………. 70
參考文獻……………………………………………………………………….71
圖目錄
圖2-1 可變負載電阻RL之PWM降壓型DC-DC轉換器模型……………….. 8
圖2-2 具不確定負載iN之PWM降壓型DC-DC轉換器模型…………………8
圖2-3 降壓型DC-DC轉換器線性平均等效電路模型……………………..10
圖2-4 順滑平面S選擇臨界尼系統暫態響應圖…………………………. 16
圖2-5 順滑平面S選擇過阻尼系統暫態響應圖…………………………. 16
圖2-6 滑平面S選擇欠阻尼系統暫態響應圖……………………………. 17
圖2-7 順滑平面S的切換圖………………………………………………. 17
圖2-8 無修正積分控制器時系統暫態響應圖……………………………. 18
圖2-9 t=0.02秒時,負載電流由1安培增加至3安培, t=0.03秒時再由
3安培恢復至1安培,系統響應圖……………………………….. 18
圖2-10 t=0.02秒時E由20V 15V,t=0.03時E由15V 20V之響應.. 19
圖2-11 t=0.02秒時E由20V 25V,t=0.03時E由25V 20V之響應.. 19
圖2-12 t=0.02秒時參考電壓由10伏特調至15伏特,t=0.03秒時參考電壓再由15伏特調回10伏特,追蹤參考電壓的響應曲線………..20
圖2-13 順滑平面S選擇臨界尼系統暫態響應圖………………………… 25
圖2-14 t=0.02秒時,負載電流由1安培增加至3安培, t=0.03秒時再由3安培恢復至1安培,系統響應圖 ………………………….. 26
圖2-15 t=0.02秒時E由20V 15V,t=0.03秒時E由15V 20V之輸出電壓響應圖………………………………………………………….. 26
圖2-16 t=0.02秒時E由20V 25V,t=0.03秒時E由25V 20V之輸出電壓響應圖…………………………………………………………….. 27
圖2-17 t=0.02秒時參考電壓由10伏特調至15伏特,t=0.03秒時參考電
壓再由15伏特調回10伏特,追蹤參考電壓響應曲線…………. 27
圖2-18 單組轉換器與控制器之電路架構圖……………………………….28
圖3-1 內涵電容之等效串聯電阻 的n-組降壓型轉換器並聯系統的線性
平均等效電路模型………………………………………………… 32
圖3-2 t=0.02秒時E由20V 25V,t=0.03秒時E由25V 20V之輸出電壓響應圖………………………………………………………….. 41
圖3-3 t=0.02秒時E由20V 15V,t=0.03秒時E由15V 20V之輸出電壓響應圖…………………………………………………………… 41
圖3-4 t=0.02秒,負載電流由1變為2A; t=0.03秒由2恢復至1A之輸出電壓響應圖………………………………………………………… 42
圖3-5 t=0.02秒時參考電壓由10伏特調至15伏特,t=0.03秒時參考電壓再由15伏特調回10伏特,追蹤參考電壓的響應曲線……… 42
圖3-6 t=0.02秒時,負載電流由1安培增加至2安培,各組電源轉換器電感電流……………………………………………………………… 43
圖3-7 忽略電容等效串聯電阻 之n組降壓型轉換器並聯系統的線性平均等效電路模型……………………………………………………… 45
圖3-8 無電流迴授控制各轉換器電感電流(iL1;Il2 ;iL3)…………. 54
圖3-9 無電流迴授控制時,負載電流變動,輸出電壓響應…………….. 54
圖3-10 E於t=0.02秒時由20v→25v,於t=0.03秒時25v→20v……… 55
圖3-11 E於t=0.02秒時由20v→15v,於t=0.03秒時15v→20v……… 55
圖3-12 t=0.02秒時,負載電流1A→3A, t=0.03秒由3A→1A………… 56
圖3-13 各組電源轉換器電感電流…………………………………………. 56
圖3-14第3組轉換器於t=0.02秒時停機,各組轉換器電感電流……… 57
圖3-15追蹤參考電壓之輸出電壓響應曲線………………………………. 57
圖3-16第三組轉換器於t=0.02秒時發生故障,負載電流與輸出電壓的響應圖……………………………………………………………….. 58
圖3-17 降壓型DC-DC轉換器並聯操作系統與控制器之電路架構圖….. 59
圖4-1 同步式PWM操作下各組轉換器電感電流波形………………….. 63
圖4-2 同步式PWM操作下各組轉換器開關元件工作週期………………63
圖4-3 同步式PWM操作下輸出電流漣波波形……………………………64
圖4-4 同步式PWM操作下輸出電壓漣波波形………………………….. 64
圖4-5 交錯式PWM操作下各組轉換器電感電流波形………………….. 66
圖4-6 交錯式PWM操作下各組轉換器開關元件之工作週期………….. 66
圖4-7 交錯式PWM操作下輸出電流漣波波形……………………………67
圖4-8 交錯式PWM操作下輸出電壓漣波波形………………………….. 67
表目錄
表3-1 含電容等效串聯電阻 之降壓型轉換器並聯系統電路元件參數..40
表3-2 忽略電阻 之降壓型轉換器並聯系統電路元件參數……………. 52

參考文獻
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