基于自适应内模控制的屏栅电源控制策略研究

作     者：邢威威 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董海鹰;马喜平

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：屏栅电源控制策略 自适应内模控制 驱动电路 航空工业 

摘      要：随着我国航空工业的快速发展，我国对航空航天技术的要求变得愈加严格。推进系统作为航天技术的重要一环，还需要进行技术升级。离子电推进系统相对于化学推进系统，减少了因推进剂类别以及数量带来的问题，而且电推进系统具有高比冲的优势，完全能满足未来的各项探测工程的实施。屏栅电源(BeamSupply)是离子电推进系统中电源处理单元(PPU)的关键模块，主要用于产生和输出高压大功率的电能。输出稳定是实现PPU高效率、高功率密度的关键，故为满足屏栅电源高效率、高功率密度要求，本文采用第三代宽禁带(WideBandGap)半导体技术来设计高功率密度数字电源。第三代宽禁带半导体技术能够大幅提升系统的工作频率，降低装置磁性器件的尺寸，提高装置的功率密度，极大的促进了电力电子在高频，高效，高温领域的发展，并随着新型材料价格的下降变得越来越有竞争力。 (1)本文针对屏栅电源的设计要求，以双全桥拓扑为研究对象，分析双全桥变换器在一个工作周期内的工作模式，建立了占空比模式和移相模式双全桥变换器的数学模型，为下文屏栅电源自适应内模控制策略研究提供理论基础。 (2)针对双全桥变换器的拓扑电路以及屏栅电源的技术指标，采用数字控制，设计了一种电压电流双闭环自适应内模控制策略。双全桥变换器采用电流内环PID控制、电压外环模糊自适应内模控制，保证系统具有较好的抗干扰能力。首先设计双闭环控制器的电流内环PID控制器，然后将电流内环传递函数作为电压外环内模控制的一个环节进行处理。但内模控制的参数λ取值大小会影响电源系统的响应速度以及鲁棒性，难以兼顾各方面的技术要求。因此为了能够解决上述问题，引入模糊控制，构建电压外环的模糊自适应内模控制器。控制器可以根据系统的实时状态，实时调整参数值，保证系统工作在最佳状态。通过仿真分析，模糊自适应内模控制相对于普遍应用的双闭环PID控制在突变工作状态、输入给定突变、双模式切换等方面具有更优越的性能。 (3)依据屏栅电源原理以及技术要求设计屏栅电源样机。样机设计主要包括硬件电路（主电路、驱动电路）参数选型设计以及基于TMS320F28335控制器的软件设计，详细设计了驱动电路的选型以及电路设计过程，最终验证了设计电路的合理性。 (4)最后在实验室搭建一台2kW的屏栅电源实验样机。实验样机测试的结果与模糊自适应内模控制器的SIMULINK仿真结果相差无几，这也证明了文中提出的模糊自适应内模控制策略的优越性。基于模糊自适应内模控制的屏栅电源具有良好的鲁棒性和优秀的动态特性，完全可以完成电压宽范围输出以及双模式工作切换，具有较高的工作效率以及高功率密度。