DC/DC变换器控制规律研究

论文摘要

近年来,随着电力电子技术的高速发展,以DC/DC变换器为转换核心的开关电源已经深入应用到各个领域,存在大信号扰动的场合对电源的输出波形提出了苛刻的要求,因此研究大信号扰动条件下的DC/DC开关变换器控制方案一直是电力电子领域的研究热点问题。变换器动态特性较为复杂,传统的线性平均化的分析方法(如拉氏变换和奈奎斯特图等)已经无法直接应用,这就要求运用新的方法来进行建模与分析,并使分析方法更加趋于简化、准确、全面和完善。因此,DC/DC变换器控制上要获得新的突破,必须建立一个新的、更精确和实用的大信号离散模型,而且需要发展非线性控制理论。利用传统单、双环反馈理论设计的模拟控制器很难保证具有时变非线性特性的DC/DC开关变换器在大信号扰动下具有的理想的控制性能,与模拟控制器相比,数字控制器可以比较容易地实现复杂的非线性控制策略,从本质上改善变换器的控制性能。目前,DSP和MCU等数字控制器的硬件技术趋于成熟,使DC/DC开关变换器的数字化控制器实现成为可能,因此基于DC/DC开关变换器的非线性本质,研究各种非线性控制策略成为电力电子研究领域一大热点。本文以Buck电路为研究对象,并对其进行小信号分析,阐述了三种控制策略的基本原理和自身的优缺点,深入研究了在大信号扰动的情况下三种控制策略的鲁棒性,确定了滑模变结构的控制策略良好的抑制扰动的能力,进行了主电路参数和滑模控制器的设计。为了验证系统设计的正确性,论文中利用Matlab软件建立了主电路、滑模变结构控制器的仿真模型,同时进行了三种控制策略的系统仿真。仿真结果表明,本文所设计的系统是正确的,控制策略可行；采用本文所提出的控制方法,滑模变结构控制策略在电压和电阻突变时有着良好的鲁棒性,对实际设计具有参考指导意义。为了验证实际系统的运行情况,本文设计了以TI公司的TMS320F2812型号的DSP为控制芯片的Buck变换器的硬件系统及软件系统,搭建了实验平台,并进行了实际系统的调试,实验结果证明了本文所阐述的理论及系统的设计是正确的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 控制方法在国内外研究概况
• 1.3 课题研究的主要内容及结构安排
• 第2章 DC/DC变换器拓扑结构和小信号分析
• 2.1 DC/DC变换器的拓扑结构
• 2.1.1 降压变换器
• 2.1.2 升压变换器
• 2.1.3 升降压变换器
• 2.2 小信号分析
• 2.3 本章小节
• 第3章 DC/DC变换器的控制方法
• 3.1 单周期控制技术
• 3.1.1 单周期控制的基本原理
• 3.1.2 固定开关频率的单周期控制
• 3.1.3 单周期控制电路下的开关误差自动补偿
• 3.2 模糊控制技术
• 3.2.1 模糊器设计的基本原则
• 3.2.2 模糊控制的应用
• 3.3 滑模变结构控制技术
• 3.3.1 滑模变结构的基本概念
• 3.3.2 滑模变结构的数学描述
• 3.3.3 滑膜变结构的性质
• 3.3.4 滑膜变结构存在的问题
• 3.4 本章小结
• 第4章 DC/DC变换器的设计及其仿真
• 4.1 系统的设计
• 4.1.1 主电路参数的设计
• 4.1.2 控制器的设计
• 4.2 仿真结果与分析
• 4.2.1 单周期控制仿真结果与分析
• 4.2.2 模糊控制仿真结果与分析
• 4.2.3 滑模变结构控制仿真结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 滑模控制器的硬件实现及实验结果
• 5.1 功能模块的划分
• 5.2 硬件系统的设计
• 5.2.1 主电路的设计
• 5.2.2 驱动与隔离电路的设计
• 5.2.3 电压电流检测电路的设计
• 5.2.4 信号调理电路的设计
• 5.2.5 控制电路的设计
• 5.3 软件系统的设计
• 5.3.1 TMS320F2812软件设计介绍
• 5.3.2 主程序的设计
• 5.3.3 滑模变结构算法的设计
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢