为了解决Buck型数字电源在大的动态负载范围下存在输出电压超调、误差收敛慢的问题，渤海大学控制科学与工程学院的研究人员侯元祥、巫庆辉、蔡健哲，在2021年第5期《电气技术》上撰文，提出二阶滑模控制器与线性跟踪微分器相结合的方法。相比于传统的滑模控制器，改进后的二阶滑模控制器具有更强的鲁棒性，动态性能更好，具有较高的实际应用价值。

随着电源领域及微机控制技术的高速发展，数字电源受到了越来越多人的关注，数字控制具有灵活、基准调节简单、精度高等优势，正逐渐取代传统模拟控制。数字电源的工作点不定，对输出的瞬态响应要求比较高，常规线性控制器是基于小信号模型设计的，被控变换器只有在特定条件下才能工作在最优状态，因而对于工作范围较宽的数字电源，无法利用传统的局部线性化方法进行控制器设计。

滑模控制通常具有出色的大信号处理能力，将其应用在DC-DC变换器中，可以使电力电子变换器在更大的工作范围内具备较高的性能。

滑模控制在DC-DC变换器中的首次应用出现于1983年Bilalovic等人发表的文献中，作者论证了在降压变换器（Buck）中使用滑模控制的可行性，随后的30多年，该领域得到了长足发展。目前该领域主要可分为两个大方向：可变频率控制与固定频率等效脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）控制。

理想滑模控制器需要工作在无穷大频率处，因而可变频率滑模控制器更加易于实现，其中具有代表性的方法有滞环滑模控制器、电压电流混合滑模控制器、分数阶滑模控制器等，但由于开关频率不固定，变换器中储能电感与滤波电容的参数选取比较困难，且很难解决印制电路板（printed circuit board, PCB）设计中的电磁干扰、高次谐波吸收问题。

为了解决上述问题，有学者提出了定频滑模控制器，其中包括自适应滞环滑模控制器、PWM等效滑模控制器、定频模糊逻辑滑模控制器等。此类控制器严格意义上属于间接滑模控制器，滑模控制律最终会等效为功率器件的占空比。该方法解决了开关频率不固定的问题，但等效控制概念的引入降低了滑模控制器鲁棒性和调节性能。有学者提出了具有积分项及二重积分项的滑模控制器，进一步提高了间接滑模控制器的稳态性能，并给出了在Buck变换器中的仿真结果。

为了进一步提高控制器动态性能、减小系统超调，渤海大学控制科学与工程学院的研究人员针对同步Buck型宽工作范围数控降压电源，提出了一种二阶滑模控制器，其滑模面由电压误差、电压误差一阶导数、电压误差二阶导数、电压误差积分构成，并搭建了样机进行算法验证。实验结果表明，与传统一阶滑模控制器相比，二阶滑模控制器动态性能更好，解决了控制器的快速性与超调量之间的矛盾。

图1 改进Buck电路二阶滑模控制器框图

此外，研究人员还引入了跟踪微分器的概念，用于获得输出电压的各阶导数信息，节省了额外的电流传感器，解决了传统微分器对于采样噪声敏感的问题，具有较高的实际应用价值。值得注意的是，滑模控制及跟踪微分器便于离散控制，对于数字控制系统比较友好，对于模拟控制系统则实现起来较为复杂。

本文编自《电气技术》，作者为侯元祥、巫庆辉 等，论文标题为“基于二阶滑模控制的定频Buck数字电源设计”。