航空电源双向DC-DC控制器设计

在航空电子技术领域，电源系统是保障飞行安全和电子设备正常工作的核心组件之一。随着航空技术的快速发展，对电源系统性能的要求也越来越高，尤其是在多电（ME）/全电（AE）飞机电源系统中，对于电力转换和管理的效率、稳定性和可靠性提出了更高标准。航空电源系统中的双向DC-DC变换器作为关键设备，它能够实现电能的双向流动，从而完成从主电源向辅助电源或负载供电，以及从辅助电源向主电源反向供电的任务。然而，由于输入电源和负载的不断变化，导致变换器输出电压出现波动，这对于航空电源系统的稳定运行构成挑战。为了解决这一问题，本文提出了一种基于Super-Twisting（ST）滑模算法的双闭环控制器设计方法。 航空电源系统主要由主电源、辅助电源（蓄电池）、负载以及双向DC-DC变换器等部分组成。其中，双向DC-DC变换器的作用尤为关键。在正常情况下，主电源通过双向DC-DC变换器对蓄电池进行充电；而在紧急情况下，如主电源失效，蓄电池则通过双向DC-DC变换器反向供电，以确保重要机载设备的电力需求。 双向DC-DC变换器的拓扑结构设计为半桥式电路，该电路能够根据实际需求在两种工作模式之间切换：Buck模式和Boost模式。在Buck模式下，变换器负责将高电压转换为低电压，为负载供电；在Boost模式下，变换器则将低电压升高，实现蓄电池的充电。为了确保在不同工作模式下输出电压的稳定，控制器设计需基于精确的控制策略，以实现对变换器输出电压的精确控制。 控制器的设计基于Super-Twisting算法理论，这是一种先进的滑模控制算法，能够有效应对航空电源系统中的非线性、不确定性和外部干扰等问题。控制器由滑模面和控制律两个部分构成。滑模面是一个连续函数，能够定义系统状态的期望行为，而控制律则依据滑模面的数学表达式来计算控制输入。在本文提出的双闭环控制策略中，电流内环采用滑模面s1,2=iL-Iref，而电压外环采用滑模面s3,4=V1,2-Iref，这里iL和V1,2分别代表变换器的电感电流和输出电压，Iref则为参考电流值。通过电流和电压的双闭环控制，可以实现对变换器动态性能和稳态性能的有效调节。 ST算法理论揭示了在特定条件下，系统状态能够有限时间收敛至滑模面原点，即实现系统的稳定状态。ST算法的一个显著优点是，它不依赖于滑模面的时间导数信息，这在航空电源系统中尤为重要，因为系统的快速反应能力至关重要。当ρ=0.5时，系统可以实现二阶滑动模态，从而进一步提高系统对干扰的鲁棒性。 为了验证控制器设计的有效性，本文采用150 W的变换器平台进行了实验研究。实验结果表明，在实现能量双向流动的同时，系统具有良好的启动时间和鲁棒性。这表明基于ST算法的双闭环控制器设计能够有效应对输入电源和负载的波动，确保航空电源系统的输出电压稳定，为航空电子设备提供可靠电力保障。 本文提出的基于Super-Twisting算法的双闭环控制器设计为航空电源系统提供了一种高效的控制策略。通过精确控制双向DC-DC变换器的输出，不仅解决了输出电压受输入电源和负载扰动的问题，而且保证了系统的快速启动和在各种条件下的稳定运行，为多电/全电飞机电源系统的进一步发展提供了技术支撑。随着航空技术的不断进步，这种控制器设计方法有望得到更广泛的应用。