基于FPGA的Boost变换器建模与智能控制方法研究

论文摘要

作为研究开关电源的基础,DC/DC开关变换器的建模分析对开关电源的分析和设计具有重要意义。本文针对Boost变换器的建模分析进行了深入的研究,有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。本文在对DC/DC开关变换器建模方法分析的基础上,采用了一种基于状态空间的非理想基本变换器的电路建模方法。并以Boost变换器为例,针对电感电流连续和电感电流不连续两种状态进行建模。在建模工具方面,为满足不同要求,分别使用Matlab和Vissim建立相关模型;在建模方法方面,为满足高要求的时域频域分析,在状态空间模型的基础上推导Boost变换器的等效电路模型,进行小信号建模分析,另外,根据Takagi-Sugeno模糊理论分别建立了两种电感电流模式下Boost电路的T-S模糊模型。仿真结果证明了两种建模方法的正确性。在控制器设计方面,本文首先介绍了PID控制算法,详细阐述了其基本原理,常用的参数整定方法,并选取临界灵敏度方法设计了PI控制器,进行闭环仿真。在深入研究了Takagi-Sugeno模糊理论之后,对电感电流连续和断续两种模式下的Boost变换器分别设计了相应的控制器,仿真结果表明T-S模糊控制较PI相比,控制性能更好。在深入研究了Boost变换器的PI控制和T-S模糊控制方法的基础上,设计了一个Boost变换器闭环控制系统仿真实验平台。针对使用FPGA的控制电路进行了设计,分别介绍了使用VHDL（硬件描述语言）和SG（System Generator）的FPGA程序设计流程,最后应用VHDL和SG相结合设计了PI和T-S模糊控制器,并进行了仿真分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 DC/DC 变换器的概述及其控制方法的发展
• 1.1.2 FPGA 的概述及其发展
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 DC/DC 变换器的研究现状
• 1.2.2 FPGA 的研究现状
• 1.3 论文研究内容及结构安排
• 第二章 Boost 变换器建模及仿真
• 2.1 概述
• 2.2 基于 Matlab 的 Boost 变换器状态空间建模
• 2.2.1 CCM 模式下Boost 变换器状态空间建模
• 2.2.2 DCM 模式下Boost 变换器状态空间建模
• 2.3 基于 Vissim 的 Boost 变换器的建模
• 2.3.1 CCM 模式下状态空间建模
• 2.3.2 DCM 模式下状态空间建模
• 2.4 小信号建模法
• 2.5 T-S 模糊建模和仿真研究
• 2.5.1 CCM 模式下Boost 变换器建模与仿真
• 2.5.2 DCM 模式下Boost 变换器建模与仿真
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于线性控制方法设计 Boost 变换器控制器
• 3.1 PID 控制理论
• 3.2 PID 参数整定方法
• 3.2.1 Ziegler-Nichols 设定方法
• 3.2.2 临界灵敏度法
• 3.2.3 基于幅值相位裕度（GPM）的方法
• 3.3 PI 控制器的设计
• 3.3.1 Boost 变换器的PI 双闭环控制
• 3.3.2 Boost 变换器的PI 控制器建模及仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于智能控制方法设计 Boost 变换器控制器
• 4.1 CCM 模式下的T-S 模糊控制器的设计
• 4.1.1 参数确定Boost 变换器的T-S 模糊控制器的设计
• 4.1.2 参数不确定Boost 变换器的T-S 模糊控制器的设计
• 4.1.3 Boost 变换器的模糊控制器求解
• 4.1.4 仿真研究
• 4.2 DCM 模式下的T-S 模糊控制器的设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 Boost 变换器控制器的硬件仿真
• 5.1 系统总体结构
• 5.2 控制电路设计
• 5.2.1 FPGA 开发板简介
• 5.2.2 FPGA 硬件设计流程
• 5.2.3 SG（System Generator）程序生成工具
• 5.3 硬件控制仿真及波形分析
• 5.3.1 PI 控制SG 模型
• 5.3.2 T-S 模糊控制SG 模型
• 5.3.3 外围程序编写
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文所作工作总结
• 6.2 不足之处及未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A:作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目
• 附录 B:外围程序
• 1. 顶层文件
• 2. A/D 转换程序
• 3. 输出寄存器程序