硕士学位论文-开关变换器智能控制系统及其实现.pdf

华南理工大学 硕士学位论文 开关变换器智能控制系统及其实现 姓名：张剑刚 申请学位级别：硕士 专业：电力电子及电力传动 指导教师：谢运祥 20030518 摘要 摘要 开关电源由于其体积小、重量轻、效率高等优点，得到了广泛的应 用。而开关电源本身所固有的非线性，从控制学角度来看，也是一个相 当有吸引力的课题。而在电子系统中，电源是最重要的。而随着电子设 备的日益增多，对电源的要求也越来越高。要控制好开关电源，就必须 对开关电源的工作过程进行细致的了解，在本文中，介绍了一些基本的 开关变换器的工作原理并进行了建模分析，同时还进行了理论论证和彷 真与实验验证。在了解开关电源的基本工作原理的基础上，介绍了一些 比较普遍的开关电源控制方法，并且对这些控制方法进行分析比较。 在各种控制方式中，智能控制系统由于具备可在熟悉或不熟悉情况 下自动的完成拟人任务。同时，对于一些复杂的包含不确定性的对象， 智能控制系统也可以很好地进行控制，因此成为开关电源控制技术的一 个重要的研究方向。而在各种智能控制技术中，模糊控制技术由于具备 可以直接使用人类已知经验，执行高速简便，开发成本低廉等优点，使 其成为智能控制系统在开关电源上应用的首选之一。在本文中，将会介 绍模糊控制的基础知识，再基于这些基础知识，尝试建立了一个基于开 关变换器的模糊控制系统。对于控制系统，其稳定性是非常关键的。在 本文中，将介绍一些对模糊控制系统进行稳定性分析的方法，同时，还 对本文所建立的模糊控制系统的稳定性进行了定性分析。 单片机由于具备体积小，功耗低，价格低廉，可靠性高等优点，所 以在工业自动化系统中。得到了广泛的应用。在本文中，将对现今比较 流行的单片机系统进行比较，选择了比较适合在开关电源上实现智能控 制系统的单片机。同时，根据该单片机的特点，选择了一些相应的元器 件，对智能控制系统进行了具体实现。最后，对实现的智能控制系统进 行了实验，对其性能进行了分析。最后提出了进一步研究的任务和方向。 关键词：p w m ：开关变换器：智能控制：模糊控制：单片机 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l l s i z e ，l i g h t ，a n dh i g he f f i c i e n c y s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l i e r s a r e w i d e l yu s e d t h en o n l i n e a ro f s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r sisav e r yi n t e r e s t i n gs u b j e c tf o rt h e c o n t r o ls c i e n c e i nt h ee l e c t r o n i cs y s t e m ，t h ep o w e rs u p p l i e ris m o s t i m p o r t a n t w i t he l e c t r o n i cd e v i c e sd e v e l o p i n g ，t h e r e q u i r e m e n tt op o w e rs u p p l i e r sish i g h e ra n dh i g h e r i no r d e rt o g i v eag o o dc o n t r o lt os w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r s w h om u s tk n o w t h ed e t a i la b o u tt h ew o r k i n gs t a t i o na b o u tt h es w i t c hm o d ep o w e r s u p p l i e r i nt h i sp a p e r ，s o m eb a s i ct h e o r ya b o u tt h es w i t c hm o d e c o n v e r t e rw i l lb ei n t r o d u c e d ，b e s i d e st h e s e ：s o m es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tw i l lb eg i v e n a f t e ri n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r ya b o u t s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r ，t h ep a p e rw i l ls t u d yo nt h ec o n t r o l m e t h o da b o u tt h es w i t c hm o d ep o w e rs u p p li e r i na llo ft h ec o n t r o lm e t h o d t h ei n t e lli g e n c ec o n t r o ls y s t e mc a n f i n i s ht h ec o n t r o lt a r g e ti nf a m i l i a r o r s t r a n g e e n v i r o n m e n t b e si d e s ，i n t e l1i g e n c ec o n t r o ll e r sc a ng i v eag o o dc o n t r o lt os o m e c o m p l e xs y s t e m ， e v e nt h o u g h ts o m eo ft h e s es y s t e m sw i t h u n c e r t a i n t y s ot h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e mb e c o m e so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tc o n t r o lm e t h o d st os w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r s i n t h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e m ，t h ef u z z yc o n t r o l l e r h a st h e a d v a n t a g eo fb ea b l et ou s eh u m a ne x p e r i e n c e ，h i g hs p e e da n d l o w c o s t b e c o m et h ef i r s tc h o i c et ot h es w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r i nt h i sp a p e r w ew i l li n t r o d u c es o m ef u z z yc o n t r o l l e rt h e o r y ，a n d b a s et h isb a s i ct h e o r y ，w et r yt om a k eaf u z z yc o n t r o l l e rf o rt h e s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r ，t h e nw ew i l li n t r o d u c es o m es t a b i l i t y a n a l y z em e t h o df o rf u z z yc o n t r o l l e r t o o a n di nf i n i a lw ew i l l n 摘要 r e s e a r c ht h es t a b i l i t ya b o u tt h es y s t e mw eb u i l t w i t ht h ea d v a n t a g eo fs m a l ls i z e ，1 0 wp o w e rd is s i p a t i o n ，l o wc o s t a n dh i g hr e l i a b i l i t y a n dt h es i n g l e c h i pc o n t r 0 1 l e rw a s v e r y p o p u l a rt oa l lk i n d so fa p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r w i l lc o m p a r e s o m es i n 9 1 e - c h i ps y s t e m ，t h eg i v eaw is ec h o i c e f i n i a l ，w ew i l l r e a l i z e daf u z z yc o n t r o l l e rt oas w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e ra n d a n a l y z ei t sp e r f o r m a n c e a tt h el a s t ，w ew i l lg i v et h ef u t u r ew a y a n dt a s k k e y w o r d s ：p w m ；s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e r ；i n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e r f u z z yc o n t r o ls y s t e m ；s i n g l e c h i pc o n t r o l l e r i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 旅台4 问0 日期：锄哆年f 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在j 解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 没今i ) 刚 诲乏吁 日期：2 喝年6 月j 日 日期：沙哆年月) 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 在电子系统中，电源是最重要的。在一个系统中，如果某些部分出现问题，则系统 可能只失去某些功能，但如果系统的电源出现了问题，则整个系统将无法工作。半导体 技术的迅速发展，集成电路的广泛使用，使得电子设备的固态化，小型化成为可能。同 时也要求电子电源设备小型化，效率高。从回年代以来，特别是7 0 年代中期以来，无 工频变压器的开关电源技术风靡于世界各工业化国家。开关电源的功率管工作在高频开 关状态，因此效率大大提高，同时也可以抛弃笨重的工频变压器，使得电源的体积和重 量大大减少。但是，开关电源也存在动态响应特性差和纹波大的问题。同时开关电源本 身所固有的非线性，从控制学角度来看是一个相当有吸引力的课题。对开关电源，一般 的控制方法，如电压型控制和电流型控制，必须具有对开关电源良好的了解以及对系统 进行精确调整，才能获得良好的性能。这些控制器都比较简单，易于设计和应用，但它 们的性能主要依靠系统的工作点，因此在产生寄生元件、负载和输入电压的变化时，必 须选择不同的控制参数以保证系统工作在正常的工作点上。而要获得大信号范围的稳定 通常要牺牲系统的带宽，从而影响了开关电源的性能。并且使用这些控制技术在高阶的 系统，如c u k 和s e p i c 拓扑时，可能会导致设计参数处于非常接近临界状态以至很难 获得理想的稳定性。在常规控制方法无法获得理想的控制效果时，有必要采用新的控制 方法，以实现对系统的良好控制。智能控制对于非线性系统具有良好的控制特性，但智 能控制系统一般都使用数字信号处理，这就导致其控制是基于大量的数字运算和数值推 理的，由于硬件设备的限制，主要是具有高性价比的控制器的缺乏，使彳导智能控制在工 作在高频开关状态的开关电源的应用上，与传统的控制方法相比，速度上和价格均不占 优势。但随着微电子技术和计算机技术的发展。高性能、低价格的控制器的出现，使得 智能控制系统在开关电源上实现成为可能。单片机( 微控制器) 由于具有电子计算机的 基本组成部分和功能，同时又具备体积小。电路简单、故障率低、可靠性高和成本低廉 等优点，使其成为智能控制系统在开关电源上实现的首选。 1 2 智能控制的背景与现状 “智能控制”是美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 电气工程系的傅京孙( k s f u ) 华南理工大学工学硕士学位论文 教授于7 0 年代初提出的。他是最早理解到人工智能与自动控制交叉发展具有重要意义的 学者之一，首先提出把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统一i 。近年来由于信 息技术与控制技术的飞速发展，促使控制系统向智能控制系统的发展和自动化技术向智 能自动化技术的发展，成为一种必然的趋势。关于系统的发展，可以概括为两条平行的 主线：4 0 年代美国的数学家维纳提出控制论( c y b e r n e t i c s ) ，创建了- - f l 关于动物及机 器的控制与通信的科学。而另一条关于系统发展的线索，起源于5 0 年代中期开始的“人 工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) ”。人工智能的目标是研究用计算机来实现某种智能行为， 以及研究用计算机模拟人的思维功能，从而实现智能行为。其伟大的科学意义在于人们 将可以通过人脑与电脑协同工作，以人机结合的模式，为解决十分复杂的问题寻找最 佳途径。 如果说控制论把“控制”作为其研究的核心内容，那么人工智能的核心内容则是“信 息处理”。对于一个系统来说，控制与信息恰巧是两个重要的方面，由于着重点不同，所 以形成两条线索。 自8 0 年代以来，智能科学和控制科学都在发展中遇到一些新的问题。人工智能的进 一步发展不但需要寻求新的理论突破，而且需要发现新的应用领域，自动控制的发展也 面临一系列困难与挑战：( 1 ) 传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精确数学模 型的基础上，而实际系统由于存在复杂性、强非线性、不确定性和不完全性等，一般无 法获得精确的数学模型：( 2 ) 研究这类系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设， 而这些假设在应用中往往与实际不相吻合；( 3 ) 对于某些复杂和包含不确定性的对象， 根本无法以传统数学模型来表示，即无法解决建模的问题：( 4 ) 为了提高性能，传统控 制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初始投资和维修费用，降低了系统的可靠性。 为了解决智能科学和控制科学的问题，有必要将两者相互融合，并将其应用到实际中去， 形成智能控制系统。智能控制是一门新兴学科，粗略来讲，智能控制是指系统智能机自 动地完成其目标的控制过程，其中智能机可在熟悉或不熟悉的环境中自动地或人机交互 地完成拟人任务。对于智能控制系统，一般具有以下的特点：( 1 ) 智能控制系统一般具 有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂 性、模糊性、不确定性、不完全性以及不存在已知算法的控制过程。它根据被控动态过 程特征辨识，采用开闭环控制和定性与定量控制结合的多模态控制方式。( 2 ) 智能控制 器具有分层信息处理和决策机构。它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。 ( 3 ) 智能控制器具有非线性，这是因为人的思维具有非线性，作为模仿人的思维进行决 第一章绪论 策的智能控制也具有非线性特点。( 4 ) 智能控制器具有变结构特点。在控制过程中，根 据当前的偏差及偏差变化率的大小和方向，在调整参数得不到满足时，以跃变方式改变 控制器的结构，以改善系统的性能。( 5 ) 智能控制器具有总体自寻优特点。由于智能控 制器具有在线特征辨识、特征记忆和拟人特点，在整个控制过程中计算机在线获取信息 和实时处理并给出控制决策，通过不断优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取 整体最优控制性能。( 6 ) 作为一种新兴的边缘交叉学科，智能控制无论在理论和实际应 用上还都不成熟，不完善，需要人们进步探索和开发。 1 3 主要的智能控制系统 从生物结构上来说，人脑是一个典型的生物神经网络，是由大量的神经元广泛的突 触连接而构成的一个复杂的网络体系。神经元不仅是人脑的基本组成单元，同时也是其 基本的功能单元。人脑的思维活动和智能行为正是这众多的神经元协同运作的宏观表现。 另一方面，从主要的功能角度看，人脑又是一个定性的模糊系统。人们在生产和社会实 践中，经常接触各种模糊事物，接受各种模糊信息，随时要对模糊事物进行识别和处理。 而如前所述，智能系统是对人的神经结构和思维方式的模仿，分别从这两个方向，发展 出智能控制系统的两个最重要的分支，人工神经网络和模糊控制。人工神经网络是对人 的神经结构和信息处理过程的模仿，而在人脑中，神经元的数目多达l o “，而突触数目 更多达1 0 “，因而要完全模拟人脑的神经结构是不可能的。同时，在人工神经网络中， 最重要的部分就是各神经元之间的连接强度( 亦即是神经网络内部的加权系数) 。这一加 权系数，决定这人工神经网络的控制水平。但是，对于加权系数的确定，一般只能通过 让人工神经网络自己进行学习，去加以确定。同时，即使获得了具有很好的控制效果的 人工神经网络，其加权系数的内在意义，并不是明确的，往往某些加权系数的稍微改变， 都大大地影响了系统的控制输出，而要获得理想的控制输出，即使经过长时间的学习， 其结果也不是一定的。这就导致了控制系统建立的困难。而对于模糊控制，则主要是通 过规则进行控制，其控制过程为：将人的经验、常识转化为一系列的规则，然后模拟人 的思维、推理和判断过程进行推导，最后得到控制输出。其整个控制过程都是对人的思 维过程的模拟，因而对其控制过程和规则的建立，都比较易于了解。但是，与人工神经 网络比较，模糊控制的规则都是事先制定的，其本身并不具备学习的能力。从知识的应 用来看，模糊控制系统和人工神经网络都具有并行的特点，但模糊控制系统同时激活的 规则不多，计算量少，而人工神经网络涉及的神经元很多，计算量非常大。通过上述比 华南理工大学工学硕士学位论文 较，可以知道，虽然人工神经网络和模糊控制同属智能控制的重要组成部分，但各自具 备对方恰恰不具备的优缺点。模糊控制具备处理模糊语言信息的能力，可模拟人类智慧 进行判断和决策，但不具备学习功能；而人工神经网络则恰恰相反，具备学习功能，却 不能处理和描述模糊信息。因此对于不同的应用，必须加以分析，再分别地加以应用： 对于已经有比较明确的控制规则和控制经验的系统，可以采用模糊控制；而对于没有明 显的规则和经验的系统，可以使用人工神经网络进行控制。而在某些应用场合上，可以 通过将人工神经网络和模糊控制相结合，以获得更好的控制效果。 1 4 智能控制系统的选择 当前人们对开关电源的兴趣日益增长，理论研究和实际应用也日趋完善。正是因为 对开关电源的研究比较深入，因而对其控制的理论也比较成熟，也存在一整套控制开关 电源的方法和策略，根据前文所作的结论，对开关电源应使用何种智能控制的问题，应 选择模糊控制。这是因为：1 方便易懂。由于模糊控制模仿人的控制策略，因此即使对 非控制类专业人员来讲，其控制原理也是不难理解的。当然以严格的方法解决某些复 杂的问题是必要的。但是在实际应用中，人们更倾向于使用一些简便易懂的方法，模糊 控制方法正是其中之一。2 执行高速简便，模糊控制一般采用“1 f - - t h e n ”规则，具有 高度的并行处理能力，其执行快速简便。3 开发成本低廉。由于模糊控制方法简便易懂， 缩短了设计人员的培训时间，降低了“软件成本”。同时模糊控制执行简便，“硬件成本” 也较低。综合上述，模糊控制是一种高性价比的控制方法。当然，使用模糊控制器，并 不能得到比标准控制器更好的效果，但是，一般的控制器都是对应一定的工作点的，而 使用模糊控制器则可以在多个工作点之间进行控制，并得到良好的控制效果。 1 5 单片机概述 在工业自动化系统中，单片机承担了智能控制的任务。由于单片机在体积、功耗、 价格和操作性能等方面的优势，使其得到了广泛的应用。它在一块芯片上集成了中央处 理单元c p u ，随机存储器r a m ，只读存储器r o m ( 在新型的单片机上使用可擦写的存 储器如e p r o m ，f l a s h 等) ，定时器计时器和输入输出端口等，就其组成而言，一块 单片机就是一台计算机。在结构上，单片机大多采用h a r v a r d 结构，即数据存储空间 与程序存储空间相互分开，而与一般计算机所用的数据与程序共用一个存储空间的v o n n e u m a n n 结构不同。虽然单片机主要作为控制用，但功能是通用的，仍可象微处理器 4 第一章绪论 那样广泛应用于各个方面。在指令系统方面，与一般的计算机相同，单片机也存在复杂 指令集( c i s c ) 和简单指令集( r i s c ) 。 在产品方面，i n t e l 公司的单片机是目前应用最广、品种最多的单片机。在现今国 内，i n t e l 公司的单片机主要有m c s 一4 8 ，m c s 一5 1 和m c s 9 6 三大系列。其中m c s 一5 l 是m c s 4 8 的增强型，是目前国内应用得最多的单片机系列之一。虽然m c s 5 1 系列在 现今市场处于主导地位，但是，由于m c s 一5 1 系列是使用复杂指令集系统( c i s c ) ，其 运算速度比较慢，渐渐地不能适应新的应用的要求。在此前提下，出现了许多新的替代 产品，其中较具影响的是美国m i c r o c h i p 公司推出的简易且价廉r i s c 结构o t p 型单片 机p i c l 6 c 5 x 6 x 7 x 8 x 及p i c l 7 c 4 x 系列，p 1 c 具有低功耗、高速度( 2 0 0 n s ) 、高输出、 大电流等优点，被大量应用于智能家电、玩具、便携式控制器等领域。但p i c 单片机主要 以o t p 型为主，只可写入一次，如出现错误，则必须更换芯片重新写入。在此基础上， a t m e l 公司吸取p i c 及m c s 一5 1 单片机的优点，并作了重大改进，发挥其f l a s h 存储 器技术特长，于1 9 9 7 年由a 及v 先生共同研发r i s c 结构单片机，简称a v r 。与m c s 一5 1 和p i c 系列相比较，a v r 具有比较突出的性能，如执行速度更快，功耗更低，效率更高， 芯片使用更简便等优点。 要将智能控制系统应用到开关电源上，必须选择高速的数字处理系统，在速度上， 数字信号处理器( d s p ) 占有明显的优势，但与单片机相比，其价格较为昂贵，在小型 开关电源的应用上，使用单片机进行控制，更具备优势。上文已经介绍了些主要的单 片机系统。根据上文的比较分析，选用a v r 单片机系统是明智的。 1 6 本文主要内容 本文致力于研究开关变换器的工作原理及其控制方法，并对智能控制进行了分析， 尝试了将模糊控制系统加入开关变换器的控制系统中，并进行了系统实现，最后对实现 结果进行了实验分析。 全文内容安排如下： 第一章首先介绍开关电源的基本状况，并对智能控制系统进行了分析，根据开关电 源的特点得出采用模糊控制对开关电源进行控制的结论，并就当前比较流行的单片机系 统进行了分析比较，确定了进行系统实现的单片机系统。 第二章首先介绍了开关电源的演变，然后分析了b u c k 电路的工作原理，并对b u c k 电路进行了建模分析，尤其对于b u c k 电路工作在d c m 时，针对一般文献所忽略的方 华南理工大学工学硕士学位论文 面，进行了研究分析，最后进行了仿真和实验验证。在此章最后还介绍了一些开关变换 器的控制方法并进行了比较分析。 第三章首先介绍了模糊控制系统的一些基础知识，然后基于这些基础知识，尝试建 立一个基于开关变换器的模糊控制系统，最后对模糊控制系统的稳定性问题进行了讨论 并对建立的模糊控制系统进行了定性分析。 第四章主要根据第三章所建立的模糊控制系统模型进行了系统实现。描述了实际的 模糊控制系统的具体软硬件构成和如何实现模糊控制的功能。 第五章主要是根据模糊控制系统的实验波形进行了分析研究。 最后对本文的研究工作作一总结，并提出了今后的研究方向。 6 第二章d c d c 开关变换器的模型分析和控制方法概述 第二章d o - d o 开关变换器的模型分析和控制方法概述 开关电源由于其体积小，重量轻，效率高，所以得到了广泛的应用，而f o r w a r d 变换器是其中最广泛使用的拓扑之一。本章首先介绍如何从一般的串联调整稳压 电源演变到f o r w a r d 变换器，再介绍基于b u c k 电路的数学建模，最后还讨论了开 关变换器的控制方法问题。 2 1 开关电源的演变 在功率开关晶体管未问世以前，串联调整稳压器一直是最简单最常用的稳压 技术。如图2 - 1 所示基本串联调整稳压器，晶体管b g l 工作在线性区，通过取样， 比较放大反馈电路来控制其管压降，保持输出电压的稳定。但由于全部负载电流 均流过b g l ，在b g l 上的直流压降为输入输出电压的差值，差值越大，损耗越大， 效率非常低。 b g l 蛊载 图2 - 1 基本串联调整稳压器 当功率开关晶体管出现后，图2 一l 中的b g i 被调整为工作在开关状态，通过 周期性接通、关断b g l 来调整输出电压。为保持输出稳定，在图2 1 基础上再加 入l - c 滤波器、续流二极管，形成如图2 - 2b u c k 基本电路。其工作原理为，当开 关管b g l 开通时，电源将能量输出到负载和存储在l - c 网络中，当开关管b g l 关 断时，l - c 网络存储的能量输出到负载。当c 比较大时，其输出电压波动很小， 华南理工大学工学硕士学位论文 可看作是输出电压恒定。通过调整b g l 的开通时间，即可调节输入电压与输出电 压的比例，从而实现稳压的功能。由于b g l 开通时，是工作在饱和状态，其直流 压降非常低，所以在b g l 上消耗的功耗也非常低，从而大大提高了稳压电源的效 率。 l￥ 1 1j i l i 。于 图2 - 2b u c k 基本电路 由于b u c k 电路的工作效率与串联调整稳压器相比，有非常大的提高，所以得 到了广泛的应用。根据上文，b u c k 电路是通过调整b g l 的开通时间来调节输出电 压的。当b g l 的开关频率固定时，输出电压就主要由每周期内开关开通的比率一 一占空比d 的函数决定，即v o = v i f ( d ) 。这样就带来了个问题，当输入电压非 常高，而要求输出电压比较低的情况下，_ 厂( d ) 非常小，但b g l 由截止到饱和， 必须经过一段时间正。一，当i ，( d ) 时，就无法实现对输出电压的调整。如图 2 3 在b g l 后加入一变压器和一个整流二极管d 1 后，有 1 w = 二， n v o = v i 。，够) ， ，( d ) = n f ( d ) ， 即将，( d ) 扩大n 倍，一般有瓦。_、，ll- v 啦 =晋黔嚣 第四章基于开关电源的模糊控制系统的实现 4 2 2 器件应用 图4 8 给出了实现智能控制器的a v r 8 5 1 5 与a d 7 8 2 4 、a d 7 5 2 8 的连接图。( 图中省 略了芯片与电源和地的连线) 图4 - 8 智能控制器芯片连接图 4 2 2 1a v r 8 5 1 5 应用 a v r 8 5 1 5 主要用于实现模糊控制器的功能，同时还对系统的一些部分( 如积分部分) 进行控制。a v r 8 5 1 5 具有3 2 个双向i o t ，内部含有上拉电阻，可以吸收2 0 m a 的电流。 每个i o n 都具有3 个寄存器，用于定义端口功能，输出锁存或者直接输出到引脚，支持 真正的读一修改一写i o 端口。定义b i z i 为输入端，用于读取a d 7 8 2 4 的转化结果，a ，c 口为 输出端，其中a i z i 输出p w m 控制电平，c 口输出对常规控制器的参数调整，d h 为状态控制 输入输出端，用于选通器件，和读取器件的状态信息。 4 2 2 2a d 7 8 2 4 应用 根据a d 7 8 2 4 芯片资料，按图4 - 8 将a d 7 8 2 4 与a v r 8 5 1 5 相连接，通过a v r 8 5 1 5 输出控制信号，使a d 7 8 2 4 工作在读写模态。另外a d 7 8 2 4 的第2 1 脚与地相连，保证芯 片只对模拟通道l ，2 进行a d 转换。当a d 7 8 2 4 工作在读写模态时，其工作过程为： 华南理工大学工学硕士学位论文 当c s 和r d 均为低电平时，转换开始，此时，通道地址在r d 的上升沿被锁存，同时在 一段小的延时之后，7 变为高电平，在转换结束后，肼丁变为低电平。此时当r d 再 次变为低电平时，即可读出转换结果，同时在这一r d 信号会锁存一个新的通道地址并 进行一次新的转换。必须注意的是，在两次r d 操作之间必须间隔2 5 u s 。图4 - 9 为其对 应工作波形图。 耐 a 小 商蚓跏 引l i 一= h 坝勰杉厂厂厂( 厂口。蜀路z 功 ； 一o 一p ! 一 ：锄 1 产；1 h 叫r p 叫p p ! 1 茹r 、l 弑r q 图4 - 9a d 7 8 2 4 工作在读写模式下的时序图 4 2 2 3a d 7 5 2 8 应用 根据a d 7 5 2 8 资料，根据其不同应用，按图4 - 8 中将a d 7 5 2 8 与a v r 8 5 1 5 连接。其 中，a d 7 5 2 8 ( a ) 用于输出p w m 控制电平，该芯片工作在电流开关模式，使用a 通道 输出，其输出为： n 肛州( 急) - _ 等( a 7 2 7 + a + a 5 2 5 “一2 4 “，2 3 + a 2 2 2 + a 1 2 1 + a 2 0 ) ( 4 一1 ) 而a d 7 5 2 8 ( c ) 用于调整常规控制器的参数，工作在电压开关模式，使用a 通道 输出，其输出为： n 舢d f = 砒州去) _ _ 訾( c ，岷2 6 + c 5 2 5 + c 。2 4 + c ，- 2 3 + c 2 22 + c l 2 1 + c o 2 0 ) ( 4 2 ) 其中，v e o r = v r e f v o ( 4 3 ) 二糟燃 第四章基于开关电源的模糊控制系统的实现 参见图4 2 ， 令v c o n t r o l = 一k ，v c o n t r o lf f 【v o u t = 一3 k p v o 时， 茗阿v m i x ：一( 一女。r + o n t r o ，一1 v o “f ) = 一( - k 。v e o r k ，v c o n t r o l + k p v o u t ) = 十女e o r + ( 瓦d c ) 置，r 一( 磊d a ) 足，w e f = ( 裳) 咐小一( 轰) 叫慨， ( 4 - 4 ) 由式( 4 4 ) ，最终的控制电平，由d 。和如决定，d 。直接控制输出的占空比，d 。则 通过调整比例反馈环节的参数间接地控制占空比。 4 3 信号检测器 信号检测器主要用于获取系统的运行参数，以了解系统的运行状况，以便控制部分 作出相应控制，使系统按照设定的状态运行。信号检测是相当重要的，因为系统控制器 的所有控制都是根据检测值作出的。如果检测出现问题，则系统的控制将会受到极大的 影响。另外，检测值可以看作是控制部分的输入，最后的控制值就是控制系统的输出， 检测部分的误差，经过控制部分的放大和叠加，是系统输出误差的重要组成部分。 根据前一章所设计的模糊控制器，需要检测的主要是输出滤波电感的电流值和输出 电压值。对于输出电压值的检测比较简单，只需在输出端并联取样电阻，并调整好取样 电阻相互间的比例，即可获得需要的输出电压检测值。 对于电流值的检测，一般将电流值转化成电压值后再进行检测。一般的方法有；使 用霍尔传感器，在输出端串联小电阻，使用交流电流传感器。但因为霍尔器件的功率比 较小，一般只可以通过毫安级的电流，相对于开关电源的输出，容量太小，同时其转换 电压也是毫伏级别的，另外霍尔器件的一般导通电阻为7 0 0 欧姆，将其串联在开关电源 的输出端。会对电源的性能造成影响。而在输出端串联小电阻的方法，当输出电流大的 时候，在电阻上的功耗也会相当大，造成效率降低，而当输出电流小时，其转换电压将 变得相当小，从而影响检测精度。同时，在电阻上检测得到的电压为平均电流的转换值， 对于需要检测电流峰值的应用，将无能为力。因为在本系统实现上，既需要彳导到输出电 流的平均值进行模糊控制。也需要得到输出电流的峰值进行电流峰值控制，而采用交流 华南理工大学工学硕士学位论文 电流传感器，可以直接得到电流的电压转换波形，可对获得的波形进行处理，获得电流 峰值和电流平均值，满足本系统的要求。所以采用交流电流传感器进行检测。 交流电流传感器，其实就是一个变压器，在本系统的应用如图4 1 0 所示。因为该方 法只可以检测交流电流，所以将其连接到正激变换器的降压变压器的输出之后，输出整 流电路之前。由于在开关截止时，该传感器上没有电流通过。所以只可检测到开关开通 时的电感电流，但根据前文所作的分析，输出电流在开关开通时增大，在开关关断时减 小，在开关关断时达到最大值，所以电流峰值即为转换波形对应的最大值。另外，经过 一定的处理。就可以得到输出电流平均值，这在下一节进行分析。在电流检测电路中， 二极管主要是防止在开关截止时，电源的其他干扰影响，同时通过d l 和r l 令感应变压 器处于临界饱和状态。而运算放大器a m p 则主要起隔离和增强输出能力的作用。 l 图4 一l o 电流检测电路图 4 4 输入信号预处理 输入信号预处理主要是将检测部分得到的电流和电压采样值进行处理，使其合乎控 制器( 常规或者智能) 的要求。对于常规控制器，采用如图4 一l l 的比例电路将采样电流 和电压值进行一定的比例放大或缩小，以适应其控制要求。而对于智能控制器，需要得 到的采样电压值与常规控制器系统相同，与常规控制器不同的是，智能控制器需要得到 输出平均电流的数值，在信号预处理中，采用积分器来得到输出平均电流。如图4 1 2 为 改进的积分采样保持电路，图4 1 3 、4 一1 4 为对应的实际控制波形和积分波形。图4 一1 2 中，a m p l 实现积分的功能，a m p 2 实现采样保持的功能。其工作过程为，当需要进行 积分采样保持时，开通s 2 ，s 4 ，将c 4 ，c 5 放电，然后关断s 2 ，s 4 ，开通s 1 ，s 3 ，进 行积分采样保持，当积分时间到达后，关断s l ，s 3 ，系统读取积分值。与一般的积分器 第四章基于开关电源的模糊控制系统的实现 比较，本电路的电容是连接到地的，避免了基本积分器中，输出端的电压漂移对积分过 程的影响，同时，电容接地，开关可以将电容完全放电，而在基本积分器中，无法对电 容完全放电。同时，在积分之后，还实现了保持的功能。虽然系统采用的a d 转换器具 有采样保持的功能，但其采样保持速度比较低，所以在外部再进行一次采样保持。 信号采样 图4 1 1 比例电路 图4 一1 2 改进的积分采样保持电路 ： 雕 畦 ： t ， r r f 1 ) 4 1 ；魏：；邕i 出 图4 一1 3 开关控制信号，通道l 为开关2 、4 控制信号，通道2 为开关l 、3 控制信号 4 l 华南理工大学工学硕士学位论文 1 啊 q咿 _ h ，i 、 t 1 ) c h l 。5 v a k 0u 址 矗似州卅 b 叶叶妒 坩w们嘶 i ： i - i i l = - = i n二h n 。 1 ) 1 ) c l a l 5 0u i = 图4 1 4 积分波形左图显示每次积分时间为2 0 u s ，右图显示每2 0 0 u s 进行一次积分操作 在积分采样电路中，使用t o s h i b a 公司的4 0 6 6 双向固态电子开关。可工作在 5 v - 1 5 v 电压下，在5 v 电压下，其通态电阻约为2 5 0 q 。由于该电子开关在导通时，仍 存在一定的电阻，所以在计算输出电流的积分值时，必须考虑此影响在内。 4 5f o r w a r d 实验平台的实现 在第2 章对b u c k 电路进行了模型分析，而在实际中，更多使用的是经b u c k 电 路改进的f o r w a r d 电路，因此模糊系统的实现平台采用f o r w a r d 电路。 f o r w a r d 电路采用双管自复位结构，其拓扑如图4 一1 5 。其工作原理如下：通过整流 桥对输入的交流电压进行整流，经输入电容平波后，输出直流高压，m o s f e t l 、m o s f e t 2 对其斩波，由变压器t 2 输出到副边，最后经过二极管整流，l c 滤波后得到直流5 v 输 出。m o s f e t 的驱动信号由m c 3 4 1 5 2 产生，m c 3 4 1 5 2 是m o t o r o l a 公司生产的双输 入高速驱动器。适用于将低电流输出的数字信号驱动大电容负载。在f o r w a r d 实验平 台中，由于要使用隔离变压器对m o s f e t 进行驱动，而实际的数字信号的输出电流有限， 所以使用m c 3 4 1 5 2 作为隔离变压器的原边输入对m o s f e t 进行驱动。在电路中，为保 护m o s f e t ，均对m o s f e t 的门极添加了r c 缓冲电路和稳压二极管。图4 - 1 6 为 m c 3 4 1 5 2 驱动输出后，经隔离驱动变压器和驱动缓冲电路后的m o s f e t 驱动波形。同 时，为保护m o s f e t ，还使用r 3 、d 3 、c 3 构成了缓冲电路，减少主变压器自复位时对 m o s f e t 的冲击。本平台采用自复位结构，当m o s f e t 关断时，主变压器电流通过d 1 、 d 2 流向电源，实现磁复位。 第四章基于开关电源的模糊控制系统的实现 图4 1 5f o r w a r d 实验平台电路图 0 - 0 0 - 0 0 一 i ；! 兰；：；j 三。b 二b 己：翻三：l 脯：藤 ； ； ： ；兰：； ： ； i + ；：兰 ： ：! ! j z 二门：门己：翻三：门三二n 篆瓢曩瓤纛蔫 ； i j 图4 1 6m o s f e t 驱动波形 f o r w a r d 实验平台主要参数 输入：a c 9 0 1 3 0 v ，输出：d c 5 v ，输出电流：0 4 a 输出滤波电感7 l u l l ，输出滤波电容：2 2 0 0 u f ，主变压器匝数比：5 比1 。 4 6 软件实现 在讨论了模糊控制器的硬件部分之后，在本节，将讨论如何实现其软件部分。模糊 控制器的控制过程主要就是通过对a v r 8 5 1 5 编程，从外围电路输入u o 和几取样值， 华南理工大学工学硕士学位论文 然后进行模糊推理，得出结果，最后通过外围电路实现输出，实现模糊控制的过程。 a v r 8 5 1 5 直接控制的外围电路主要包括a d 7 8 2 4 ，a d 7 5 2 8 以及一些逻辑器件。图4 1 7 为其控制流程图，根据该流程图，整个程序主要由初始化程序，a d 7 8 2 4 控制程序， a d 7 5 2 8 控制程序，模糊推理程序，采样程序，时间控制程序等构成。下文将详细介绍 各子程序 4 6 1 初始化程序 初始化程序主要是对某些功能寄存器的定义，以及定义中断向量表，根据上一章的 硬件设计，将b 端口8 个i o 定义为输入端，a ，c 端口共1 6 个t o 定义为输出端，而 d 端口中，第3 脚定义为外部中断输入脚，其余定义为输出引脚。对i o 的定义，是通 过对d d r x ( x = a 、b 、c 、d ) 定义的，d d r x 为一8 位寄存器，每位对应一个i o 口， 当i o 设置为输出时，对应位必须被设置为1 ，相应的，当i o 设置为输入时，对应位应 被设置为0 ，所以对d d r x 的设置为：d d r a = d d r c = 1 1 1 1 1 1 1 1 ( 二进制数) ，d d r b = 0 ， d d r d = l l l l l o l l 。在完成对端口的定义后，需要将模糊规则装入，虽然a v r 8 5 1 5 内置 e p r o m ，但为提高速度，使用s d r a m 装载模糊规则。然后读中断进行定义，先对s r e g 寄存器的第7 位置0 ，禁止所有中断，对g i m s k 寄存器的第6 位置1 ，其他置0 ，使能 外部中断请求0 ，同时清楚寄存器g i f r 中的标志，然后将m c u c r 寄存器置位1 0 ( 二 进制数) ，使能i n t 0 的下降沿触发中断。 4 6 2 初始量读入程序 因开关电源开启阶段，是电容充电的阶段，此时电感电流处于连续状态，此时不须 对电感电流进行积分，直接对其采样值读取即可。根据上一章的硬件接线图，由d