数字化电源控制器平台的设计与实现

论文摘要

开关电源是现代电力电子设备中不可或缺的组成部分,而电源的数字化控制是电源的发展趋势。电力电子设备中的数字化控制部分多以MCU/DSP为核心,在很多高频应用的场合,它们的速度往往不能满足要求。与单片机和DSP相比,FPGA的频率更高、速度更快,这些特点顺应了电力电子电路的高频化和复杂化发展的需要。因此, FPGA在电力电子控制电路中得到了日益广泛的发展和应用。本文将FPGA应用于数字化电源控制平台的设计,以实现开关电源的数字化控制,所设计平台可通过串行接口与电脑连接,将驱动输出、监控、远程控制及可视化于一体,在不改变硬件的条件下,只需通过软件修改相关参数,即可实现对各种常用拓扑结构的开关电源的数字化控制。论文主要研究工作有:1.采用模块化设计方法,确定基于FPGA的电源控制器平台总体结构;2.进行SPWM控制系统各分模块设计,包括幅度、频率、相位、采样点数可调的正弦调制波,快速稳定的三角形载波,SPWM分相模块,死区时控模块及保护模块等,并进行总体控制系统(SPWM系统)的仿真;3.进行PWM控制系统各分模块设计,包括锯齿波,电压、电流放大器,软启动模块及PWM分相,保护模块等,并进行总体控制系统(PWM)系统的仿真;4.设计高速数字PID模块及串口通信模块;5.编写可视化界面,使平台能够与计算机通信。所有设计经过仿真结果分析,完成了课题要求,并具有较好的使用价值和应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 数字化电源的现状及发展趋势
• 1-1-1 开关电源现状及发展趋势
• 1-1-2 数字化电源是电源发展的必然趋势
• §1-2 课题背景及意义
• §1-3 本文的主要工作
• 第二章 开关电源控制技术
• §2-1 PWM 型开关电源控制研究
• 2-1-1 单端反激（Flyback）式直流变换器
• 2-1-2 单端正激（Forward）式直流变换器
• 2-1-3 半桥（Half-Bridge）式直流变换器
• 2-1-4 全桥（Full-Bridge）式直流变换器
• 2-1-5 推挽（Push-Pull）式直流变换器
• 2-1-6 死区时间
• §2-2 SPWM 型逆变电源控制研究
• 2-2-1 双极性单相半桥，全桥SPWM 逆变器
• 2-2-2 单极性全桥SPWM 逆变器
• 2-2-3 SPWM 三相桥式逆变器
• §2-3 本章小节
• 第三章 基于 FPGA 数字化电源控制技术方案
• §3-1 数字化电源控制器方案的选定
• §3-2 FPGA 的介绍
• 3-2-1 可编程逻辑器件发展简史
• 3-2-2 可编程逻辑器件分类
• 3-2-3 FPGA 的基本结构
• §3-3 FPGA 开发的优点
• §3-4 FPGA 设计流程及工具
• 3-4-1 FPGA 设计流程介绍
• 3-4-2 FPGA 设计工具介绍
• §3-5 本章小结
• 第四章 数字化电源控制器平台的设计
• §4-1 正弦波产生模块
• 4-1-1 正弦波产生原理
• 4-1-2 基于DDS 的正弦波
• 4-1-3 正弦波仿真结果
• §4-2 载波三角波发生器
• 4-2-1 三角波产生原理
• 4-2-2 三角波仿真结果
• 4-2-3 锯齿波产生电路
• §4-3 宏功能的使用
• 4-3-1 比较器电路
• 4-3-2 乘法器电路
• §4-4 分相模块
• §4-5 死区时控模块
• §4-6 数字化SPWM 模块的综合
• §4-7 电压电流环放大器
• §4-8 软启动时控模块
• §4-9 数字化PWM 模块的综合
• §4-10 数字PID 的实现
• 4-10-1 增量式数字PID
• 4-10-2 基于FPGA 的数字PID 设计
• 4-10-3 数字PID 的仿真结果
• §4-11 可视化界面的实现
• §4-12 数字化电源控制器平台总体设计实现
• §4-13 结论分析
• 4-13-1 SPWM 波形仿真图
• 4-13-2 PWM 波形仿真图
• §4-14 本章小结
• 第五章 全文总结与工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果