УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ
Sliding mode control of DC/DC buck converter with nonlinear sliding surface is proposed. The converter operation efficiency in output voltage stabilization mode is mathematically confirmed. The simulation results of converter operation in transient and steady-state modes are represented. They confir...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1102 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203755493851136 |
|---|---|
| author | Скурятин, Ю.В. Фомин , А.И. |
| author_facet | Скурятин, Ю.В. Фомин , А.И. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Ю.В. Скурятин",
"institution": "Донбасский государственный технический университет, пр. Ленина 16, Алчевск, 94204, Украина"
},
{
"author": "А.И. Фомин ",
"institution": "Донбасский государственный технический университет, пр. Ленина 16, Алчевск, 94204, Украина"
}
] |
| author_sort | Скурятин, Ю.В. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-10T12:06:36Z |
| description | Sliding mode control of DC/DC buck converter with nonlinear sliding surface is proposed. The converter operation efficiency in output voltage stabilization mode is mathematically confirmed. The simulation results of converter operation in transient and steady-state modes are represented. They confirm output voltage stabilization, invariance to disturbances, increase of performance, adaptation of sliding surface to the changes of load and reference. Reference 1, figures 5. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:18:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 87
УДК 621.314
УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ
РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ
Ю.В. Скурятин, А.И. Фомин
Донбасский государственный технический университет,
пр. Ленина 16, Алчевск, 94204, Украина.
E-mail: yuriy-skuryatin@yandex.ru
Предложено управление на скользящих режимах импульсным преобразователем понижающего типа с нели-
нейными поверхностями скольжения. Приведено математическое обоснование эффективности работы пре-
образователя в режиме стабилизации выходного напряжения. Представлены результаты моделирования ра-
боты преобразователя в переходных и установившихся режимах, подтверждающие стабилизацию выходного
напряжения, инвариантность к возмущениям, повышение быстродействия, свойства адаптации поверхности
скольжения к изменениям параметров нагрузки и задания. Библ. 1, рис. 5.
Ключевые слова: импульсный преобразователь, скользящий режим, накопленная энергия.
Введение. Широкое распространение в технике получили импульсные преобразователи постоянного
напряжения (ИППН) понижающего типа, топология которых используется в широком классе преобразователь-
ных устройств – вентильных преобразователях переменной структуры. Современные преобразовательные сис-
темы представляют собой довольно сложные объекты управления, характеризующиеся работой в условиях не-
определенностей как со стороны источника электропитания, так и со стороны нагрузки. Свойства таких систем
во многом определяются выбранным методом управления.
Одним из перспективных методов управления является разрывное управление на скользящих режимах,
возможности которого были впервые продемонстрированы в системах с переменной структурой С.В. Емельяно-
вым и В.И. Уткиным. Системы, в которых преднамеренно вводится скользящий режим, обладают рядом привлека-
тельных свойств: низкой чувствительностью к внешним возмущениям, изменению параметров объекта управления,
возможностью создавать оптимальные траектории движений в переходных режимах и др. [1], благодаря чему они и
получили распространение на многие области техники, включая преобразовательную технику.
В качестве поверхностей разрыва для управления понижающим ИППН, который представляет собой объ-
ект второго порядка, получила распространение линейная комбинация ошибки напряжения на конденсаторе фильт-
ра и ее первой производной. Недостатком такой системы является ее неэффективная работа на нагрузку, параметры
которой изменяются в широких пределах и непредсказуемым образом. Действительно, обеспечение предельного
быстродействия в номинальном режиме может привести к срыву скольжения в режимах, близких к холостому хо-
ду. А обеспечение устойчивого скольжения во всем диапазоне изменения параметров нагрузки приведет к умень-
шению быстродействия. Таким образом, в подобных системах является актуальной задача получения управления,
обладающего свойствами адаптации поверхности скольжения к изменениям параметров нагрузки.
Цель работы – синтез управления импульсным преобразователем на скользящих режимах, которое обес-
печивает устойчивое скольжение без потери быстродействия при различного рода возмущениях.
Решение задачи. Силовая часть понижающего ИППН (рис. 1, а) содержит вентили S1, S2, выходной
LC-фильтр и нагрузку. Приняты допущения – пассивные элементы цепи линейны, их параметры не зависят от
времени и известны с высокой точностью, вентили идеальные. Математическое описание системы, схема за-
мещения которой показана на рис. 1, б, имеет вид
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
=
⋅=
=−−
=+⋅+
dt
du
Ci
Riu
0iii
uuRi
dt
di
L
c
c
ннc
нcL
ycLL
L
. (1)
В реактивных элементах системы происходит накопление энергии
2 2
L L C CW = LI 2; W = CU 2.
Полная энергия, накопленная в системе, с учетом знаковых функций,
отражающих направление преобразования энергии в реактивном элементе,
© Скурятин Ю.В., Фомин А.И., 2014
Рис. 1
88 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
( ) ( ) ( ) ( )
2
UC
Usign
2
ILIsignWUsignWIsignW
2
C
C
2
L
LCCLLLC
⋅
+
⋅
=⋅+⋅=
является однозначной характеристикой состояния системы, что является предпосылкой к использованию для
управления в качестве переменной состояния. Поэтому в качестве поверхности разрыва примем функцию
LCз LC wS=W -W =η =0 , (2)
где 2 2
LCз Lз CзW = LI 2+CU 2 – заданное значение накопленной энергии, соответствующее заданным выходным
параметрам системы, wη – ошибка отработки заданного значения накопленной энергии.
В переходном режиме скольжение изображающей точки по поверхности разрыва (2) обеспечит стаби-
лизацию накопленной энергии на заданном уровне и, как следствие, апериодичность переходного процесса.
В установившемся режиме среднее значение тока конденсатора за период модуляционной составляю-
щей равно нулю, следовательно, нL II = и нзLз II = . Тогда (2) можно преобразовать к виду
0
2
UC
2
IL
2
UC
2
IL
S
2
C
2
н
2
Cз
2
нз =
⋅
−
⋅
−
⋅
+
⋅
= . (3)
После подстановки в (3) нCзнз RUI = , нCн RUI = получим ( )( )2 2 2
Сз С нU -U LR +C =0 , откуда ошибка на-
пряжения на конденсаторе фильтра ( )
CU Сз Сη = U -U =0 , что соответствует цели управления в случае задачи ста-
билизации напряжения.
Используя цифровое моделирование, рассмотрим свойства системы, реализующей управление (2). При
включении преобразователя формируется управление, уменьшающее
ошибку накопленной энергии (рис. 2). В момент времени t1 ошибка накоп-
ленной энергии равна нулю, что соответствует попаданию изображающей
точки пространства ошибки накопленной энергии и ее первой производной
на поверхность скольжения (2). Дальнейшее движение происходит в сколь-
зящем режиме со стабилизацией энергии, накопленной в реактивных эле-
ментах фильтра (рис. 2). При этом движение изображающей точки в про-
странстве ошибки напряжения и ее первой производной происходит по не-
линейной траектории (прямая 2, рис. 3), искривленной по отношению к
линейной (прямая 1, рис. 3), в сторону больших значений производной
ошибки напряжения на конденсаторе, что соответствует повышению быст-
родействия. Изображающая точка попадает в начало пространства фазовых
координат (рис. 3), что соответствует нулевой ошибке в отработке заданно-
го значения напряжения на конденсаторе. Время отработки задания по
сравнению с движением по линейной поверхности уменьшено в 2 раза (рис.
3, кривая 1 соответствует движению по линейной поверхности разрыва,
кривая 2 – по нелинейной).
Возмущения со стороны источника питания не оказывают влияния
на траекторию движения в скользящем режиме (рис. 4).
Уменьшение сопротивления,
вызвавшее скачок тока нагрузки на 20
А (50% от предыдущего значения)
привело к отклонению выходного на-
пряжения менее, чем на 2 В (0.5% за-
данного значения напряжения), что
свидетельствует о высоких стабили-
зирующих свойствах системы в дина-
мике. Реакция системы на изменение
сопротивление нагрузки практически
мгновенная, причем отработка осуще-
ствляется с максимальным использо-
ванием имеющегося ресурса управле-
ния (рис. 4), что соответствует пре-
дельно возможным динамическим по-
казателям в отработке возмущающих
воздействий. В установившемся ре-
жи-ме ошибка напряжения на конден-
саторе равна нулю.
Рис. 2
Рис. 3 Рис. 4
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 89
При изменении задания или параметров нагрузки происходит автоматическая настройка поверхностей
скольжения (рис. 5). Каждому заданию и значению сопротивления нагрузки соответствует определенная траек-
тория движения в скользящем режиме. В ре-
зультате обеспечивается устойчивое сколь-
жение при изменении параметров нагрузки
или задания в широких пределах без потери
быстродействия.
Выводы. Предложенное управление
импульсным преобразователем обеспечивает
стабилизацию выходного напряжения, инва-
риантность к возмущениям со стороны пер-
вичного источника электропитания, аперио-
дический характер переходных процессов при
изменении нагрузки и задания в широких
пределах, повышение быстродействия в пере-
ходных режимах за счет нелинейности по-
верхности скольжения и ее адаптации к изменениям параметров нагрузки и задания.
1. Уткин В.И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. – М.: Наука,
1974. – 272 с.
УДК 621.314
КЕРУВАННЯ ІМПУЛЬСНИМ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ НА КОВЗНИХ РЕЖИМАХ
У БАЗИСІ ЕНЕРГІЙ
Ю.В. Скурятін, А.І. Фомін
Донбаський державний технічний університет,
пр. Леніна, 16, Алчевськ, 94204, Україна.
E-mail: yuriy-skuryatin@yandex.ru
Запропоновано керування на ковзних режимах імпульсним перетворювачем знижувального типу з нелінійними
поверхнями ковзання. Наведено математичне обгрунтування ефективності роботи перетворювача в режимі
стабілізації вихідної напруги. Представлені результати моделювання роботи перетворювача в перехідних та
усталених режимах підтверджують стабілізацію вихідної напруги, інваріантність до збурень, підвищення
швидкодії, властивості адаптації поверхні ковзання до зміни параметрів навантаження і завдання.
Бібл. 1, рис. 5.
Ключові слова: імпульсний перетворювач, ковзний режим, накопичена енергія.
SLIDING MODE CONTROL OF DC/DC BUCK CONVERTER IN THE BASIS OF ENERGY
Yu.V. Skurіatin, A.I. Fomin,
Donbas State Technical University,
Lenin ave., 16, Alchevsk, 94204, Ukraine.
E-mail: yuriy-skuryatin@yandex.ru
Sliding mode control of DC/DC buck converter with nonlinear sliding surface is proposed. The converter operation
efficiency in output voltage stabilization mode is mathematically confirmed. The simulation results of converter opera-
tion in transient and steady-state modes are represented. They confirm output voltage stabilization, invariance to dis-
turbances, increase of performance, adaptation of sliding surface to the changes of load and reference.
Reference 1, figures 5.
Key words: DC/DC buck converter, sliding mode, accumulated energy.
1. Utkin V.I. Sliding modes and their application in variable structure systems. – Moskva: Nauka, 1974. –
272 p. (Rus)
Надійшла 17.02.2014
Рис. 5
|
| id | techned_org_ua-article-1102 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:18:39Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/7f/50fc67b859adf92fffca178e19c7b67f.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-11022023-01-10T12:06:36Z SLIDING MODE CONTROL OF DC/DC BUCK CONVERTER IN THE BASIS OF ENERGY УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ Скурятин, Ю.В. Фомин , А.И. DC/DC buck converter sliding mode accumulated energy импульсный преобразователь скользящий режим накопленная энергия Sliding mode control of DC/DC buck converter with nonlinear sliding surface is proposed. The converter operation efficiency in output voltage stabilization mode is mathematically confirmed. The simulation results of converter operation in transient and steady-state modes are represented. They confirm output voltage stabilization, invariance to disturbances, increase of performance, adaptation of sliding surface to the changes of load and reference. Reference 1, figures 5. Предложено управление на скользящих режимах импульсным преобразователем понижающего типа с нелинейными поверхностями скольжения. Приведено математическое обоснование эффективности работы преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения. Представлены результаты моделирования работы преобразователя в переходных и установившихся режимах, подтверждающие стабилизацию выходного напряжения, инвариантность к возмущениям, повышение быстродействия, свойства адаптации поверхности скольжения к изменениям параметров нагрузки и задания. Библ. 1, рис. 5. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-06-25 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1102 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 087 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 087 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1102/977 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | импульсный преобразователь скользящий режим накопленная энергия Скурятин, Ю.В. Фомин , А.И. УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ |
| title | УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ |
| title_alt | SLIDING MODE CONTROL OF DC/DC BUCK CONVERTER IN THE BASIS OF ENERGY |
| title_full | УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ |
| title_fullStr | УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ |
| title_full_unstemmed | УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ |
| title_short | УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ В БАЗИСЕ ЭНЕРГИЙ |
| title_sort | управление импульсным преобразователем на скользящих режимах в базисе энергий |
| topic | импульсный преобразователь скользящий режим накопленная энергия |
| topic_facet | DC/DC buck converter sliding mode accumulated energy импульсный преобразователь скользящий режим накопленная энергия |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1102 |
| work_keys_str_mv | AT skurâtinûv slidingmodecontrolofdcdcbuckconverterinthebasisofenergy AT fominai slidingmodecontrolofdcdcbuckconverterinthebasisofenergy AT skurâtinûv upravlenieimpulʹsnympreobrazovatelemnaskolʹzâŝihrežimahvbaziseénergij AT fominai upravlenieimpulʹsnympreobrazovatelemnaskolʹzâŝihrežimahvbaziseénergij |