Buck变换器建模与非线性控制方法研究

论文摘要

DC-DC开关变换器的建模分析是研究开关电源的基础,对开关电源的分析与设计具有重要意义。传统的理想模型和实际电路之间的偏差是开关变换器建模不可忽视的问题。围绕这个问题,本文对DC-DC开关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。在对DC-DC开关变换器建模方法的现状及发展趋势进行深入分析的基础上,提出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。并以非理想Buck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,阐明了建模过程。为满足不同要求,分别使用Matlab和Vissim建立相关模型。最后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了Buck变换器的小信号模型,导出了传递函数。在控制方面,首先对线性控制方法进行研究,着重介绍了PID控制算法,详细阐述了其基本原理,常用的参数整定方法,并基于幅值相位裕度方法设计了PI控制器,进行闭环仿真。在了解常规PID控制算法的基础上,本文重点介绍了非线性控制方法,本部分首先对各种控制方法做了简单的介绍,随后详细讨论了目前常用的单滑模,双滑模控制方法,分析了滑模面设计,等效控制和理想滑模动态,滑模面可达性,对于扰动的不变性条件。在深入研究滑模控制的基础上,文章引入了反步和自适应控制方法,推导了反步法设计过程,并据此建立控制器,进行了仿真研究。最后将滑模反步及自适应几种控制算法结合起来,设计控制器,并进行建模仿真,将仿真结果与其它控制方法相比较。在研究了Buck变换器的线性和非线性控制方法以后,设计了一个Buck变换器闭环控制系统的仿真实验平台。针对开关电源的设计要求,对Buck变换器主电路参数选取,电压电流检测电路,光耦驱动隔离电路进行研究。在讨论了外围硬件电路的设计以后,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相结合设计了线性和非线性控制器,进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 DC/DC 变换器研究现状
• 1.2.1 建模方法
• 1.2.2 控制方法
• 1.2.3 拓扑结构
• 1.2.4 软开关技术
• 1.3 论文研究内容及结构安排
• 第二章 BUCK 变换器建模方法
• 2.1 BUCK 变换器简介
• 2.2 基于MATLAB 的BUCK 变换器状态空间建模
• 2.2.1 CCM 模式下状态空间建模
• 2.2.2 DCM 模式下状态空间建模
• 2.3 基于VISSIM 的BUCK 变换器的建模
• 2.4 小信号建模法
• 2.5 其它建模方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于线性控制方法设计BUCK 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 实验凑试法
• 3.2.2 Ziegler-Nichols 设定方法
• 3.2.3 临界灵敏度法
• 3.2.4 基于幅值相位裕度（GPM）的方法
• 3.3 PI 控制器的设计
• 3.4 BUCK 变换器的PI 双闭环控制
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于非线性控制方法设计BUCK 变换器控制器
• 4.1 非线性控制方法
• 4.1.1 滑模变结构控制
• 4.1.2 模糊控制
• 4.1.3 神经网络控制
• 4.1.4 自适应控制
• 4.1.5 单周控制
• 4.2 滑模控制原理
• 4.2.1 滑模面
• 4.2.2 等效控制和理想滑模动态
• 4.2.3 滑模面可达性
• 4.2.4 对于扰动不变性的条件
• 4.3 BUCK 变换器单滑模控制器的设计
• 4.3.1 直接控制
• 4.3.2 间接控制
• 4.4 BUCK 变换器双滑模控制器的设计
• 4.4.1 滑模面设计
• 4.4.2 滑模面稳定性分析
• 4.4.3 滑模控制律设计
• 4.4.4 双滑模面控制仿真
• 4.5 BUCK 变换器反步法控制器的设计
• 4.5.1 反步法控制器设计原理
• 4.5.2 Buck 变换器反步法控制仿真
• 4.6 BUCK 变换器滑模反步法控制器的设计
• 4.6.1 滑模反步法控制器设计原理
• 4.6.2 Buck 变换器滑模反步法控制仿真
• 4.7 BUCK 变换器自适应反步法控制器的设计
• 4.7.1 自适应反步法控制器设计原理
• 4.7.2 自适应反步法控制仿真
• 4.8 BUCK 变换器滑模自适应反步控制器的设计
• 4.8.1 滑模自适应反步控制器设计原理
• 4.8.2 滑模自适应反步控制仿真
• 4.9 本章小结
• 第五章 非线性控制硬件仿真实现
• 5.1 系统总体结构
• 5.2 硬件电路设计
• 5.2.1 Buck 变换器主电路设计
• 5.2.2 电压电流检测回路设计
• 5.2.3 驱动隔离电路设计
• 5.3 控制电路设计
• 5.3.1 FPGA 开发板简介
• 5.3.2 FPGA 硬件设计流程
• 5.3.3 SG（System Generator）程序生成工具
• 5.4 硬件控制仿真及波形分析
• 5.4.1 PI 控制SG 模型
• 5.4.2 滑模控制SG 模型
• 5.4.3 反步控制SG 模型
• 5.4.4 滑模反步控制SG 模型
• 5.4.5 外围程序编写
• 5.5 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
• 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