（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的dcdc变换器模糊控制器设计与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sb e e n w i d e l yu s e db e c a u s eo fi t ss m a l lb o d ya n dh i g he f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e ，t h er e q u i r e m e n t s f o rt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sm o r ea n dm o r es t r i c t ，w h i c ha r eb e y o n dt h ec a p a b i l i t i e so f t r a d i t i o n a lm o d e l i n ga n dc o n t r o lm e t h o d s m o r e o v e r ，t h e - l i m i t a t i o n so ft h es w i t c h i n gs u p p l y p o w e rc o n t r o lr e a l i z a t i o nw i t ha n a l o gc i r c u i t sb e c o m em o r ea n dm o r ee v i d e n t a sar e s u l t t h e s i m p l e ，r e l i a b l e ，h i g h l ye f f e c t i v ed i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g i e sh a v eb e e nt h ed i r e c t i o no ft h e s w i t c hp o w e rs u p p l yd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r 。t h es e l e c t i o no ft h em a i np a r a m e t e r sa n db a s i ct o p o l o g i e so fd c d c c o n v e r t e r si sf i r s ts t u d i e d t h et r a d i t i o n a lm o d e l i n gw a y sa n dc u r r e n ts t u d ys i t u a t i o n so f d c - d cc o n v e r t e r su s e di ns w i t c h i n gp o w e r s u p p l i e sa r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c hs t a t u sq u oo f c o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fd c d cc o n v e r t e r si sr e v i e w e da n ds u m m a r i z e d f u r t h e r m o r e ，t h ep l e c sm o d e l so fb u c kc o n v e r t e ra n db o o s tc o n v e r t e ra r eb u i l tu n d e r m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n ti nt h i sp a p e r f o rt h ec o n t r o lo b j e c tt ob o o s tc o n v e r t e r t h e d o u b l ec l o s e d l o o pc u r r e n tc o n t r o ls t r u c t u r ei sa d o p t e d t h eo u t e rv o l t a g el o o pi sc o n s t i t u t e d b yaf u z z yc o n t r o l l e ra n da ni n t e g r a lm o d u l e ，a n dt h ei n n e rc u r r e n tl o o pi sap ic o n t r o l l e r t h e o u t p u ti st h ed u t yf a c t o ro ft h ei m p u l s es i g n a lf o rt h es w i t c hc o m p o n e n t i na d d i t i o n ，t s f u z z yc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e df o rt h eb u c kc o n v e r t e r t h es i m u l a t i o n sw i t hf u z z y c o n t r o l l e ra n dp ic o n t r o l l e ra r ec a r r i e do u ts e p a r a t e l ya n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yc a ni m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so fd c d cc o n v e r t e ra l s ow i t h s t a t i cp r o p e r t y f i n a l l y ，a s m a l lt y p ed i g i t a lc o n t r o le x p e r i m e n tp l a t f o r mi s d e s i g n e df o rt h eb u c k c o n v e r t e r t h ec o n t r o l l e ri s d e s i g n e du s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 m a n u f a c t u r e db yt ic o m p a n y o nt h i sp l a t f o r m ，t h ee x p e r i m e n ti st a k e nu s i n gf u z z yc o n t r o l s t r a t e g y ，t h er e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h m ，a n dt h e d e s i g n e ds y s t e r mh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e sw i t has i m p l e s t r u c t u r e k e y w o r d s ：d c - d cc o n v e a e r ；d i g i t a lc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名： 一日关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定0 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文，、 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：弛函莛导，；签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出及研究意义 电力电子技术是电力、控制和电子这三大学科的交叉科学，诞生于上个世纪5 0 6 0 年代。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和变换的学科，主要包括电力 电了器件、电力电子变换电路、电力电子变换器控制三个部分。电力电子技术在推动现 代科学技术的发展中发挥了重要的作用，它对改造传统工业和发展新建高新技术产业具 有至关重要的作用，也是高效利用能源的关键技术之一。它的应用领域几乎涉及国民经 济的各个工业部门，它的进一步发展对现代生产和生活具有重要意义。 现代开关电源技术是电力电子技术的一个重要组成部分，它是研究现代d c d c 功 率电路和控制技术的理论以及应用设计方法的一门科学。随着各行各业对电气设备控制 。盹能要求的提高，现代开关电源技术广泛应用于航空航天、通信、计算机等各个领域。 随着全球能源紧张，国内外都提出节能降耗，特别是我国最近两年来把节能降耗纳入经 济考核指标，进一步增加能源的利用率。最近在电子行业，很多专家提出电子设备待机 1 w 的概念以及国家电源规范的提高，都对电源技术提出更高的要求，特别是广泛应用 于电- 了、电信、家电等行业的d c d c 功率变换器技术有着至关重要的地位。 随着功率半导体器件性功能的提高和便携式电子设备发展的需要，开关电源朝着高 频化、数字化、绿色化方向发展，高效率、小体积、轻重量将是开关电源发展的目标。 扦关电源的核心是开关变换器，近年来，开关变换器的研究在国际国内形成热潮，而当 i j 订研究热点之一是d c d c 变换器的建模与控制方法，这是电路分析设计的关键环节。 在建模方面，由于d c d c 变换器在闭环工作时是属于时变非线性周期性工作的系统， ，f 冬统的经典分析方法已经无法直接应用，这就要求运用新的方法来进行建模分析，并使 分析方法更加趋于简化、准确、全面和完善。而在控制方法上，目前绝大多数控制方案 仍然基于状态空间平均模型或线性化小信号模型，这较好地解决了d c d c 变换器的稳 念和动态低频小信号的分析问题。但是又由于d c d c 变换器系统的强非线性，这种模 型的适用范围受到了很大的限制，因而传统的控制方法很难进一步提高系统性能。为此， 需要研究更精确的非线性模型。然而研究更精确的非线性模型比较困难，但是随着现代 控制理论的发展和实现方法的改进，在d c d c 变换器控制方法的研究方面有了长足的 进步。出现了许多新的d c d c 变换器控制方法，例如：神经网络控制、自适应控制、 - 丫1 周期控制、滑模变结构控制和模糊控制等l l 刁j 。 模糊控制方法是智能控制中应用广泛、最为常见的方法之一，其特点是：无需建立 被控刈象的精确数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时变性具有较强的适应能力。 在现实控制系统中，采用模糊逻辑控制常常能够达到良好的控制效果。本课题将基于模 糊控制算法优势的基础上设计仿真模型，采用高速的数字信号处理器通过软件编程设计 控制算法，并以b u c k 变换器为主电路设计一台小型数字化控制系统平台验证控制策略 的有效性和可行性。 江南人学硕+ 学位论文 1 2 发展现状 1 2 1 控制策略 在很长一段时间内，人们采用传统的线性控制方法实现了对d c d c 变换器的控制。 由于线性控制策略设计方法成熟、实现过程简单且成本低廉，因此在系统性能要求不高 的情况下，应用广泛。与此同时，随着非线性控制策略研究的深入和实际工业环境埘 d c d c 开关变换器性能要求的提高，非线性控制策略逐渐应用在d c d c 开关变换器中。 下面本节就常用的各种控制方法做简要介绍并给出各种方法的特点及适用场合。 1 、线性控制策略 ( 1 ) 电压型控制 图1 1 所示为电压型控制b u c k 变换器，从图中可以看出，电压型控制方法是利h j 输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压进行比较，并将比较的 结果放大生成误差电压圪。误差电压圪与振荡器生成的锯齿波k 。进行比较生成一脉宽 与圪大小成j 下比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路驱动开关管导通和关断，以实现 开关变换器输出电压的调节。电压型控制方法只检测输出电压一个变量，因而只有一个 控制环，所以设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。 其主要缺点是输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠f ，因 此响应速度比较慢。由于电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外的电路水限制 输出电流。 锯齿跋 图1 1 电压型控制电路 f i g1 - 1c i r c u i to fv o l t a g ec o n t r o l 电压模式控制p w m 有以下优点【4 1 ：振荡电路输出的锯齿波幅值较大，在进i 州水冲 宽度调节时具有较好的抗噪声能力。驱动信号的占空比调节不受限制。控制电路只 有电压闭环反馈，是单环系统，设计简单，调试方便。采样信号是输出电压，放对输 出电压和负载的变化均有良好的响应特性。在多路输出的开关变换器中，若每路输出 都采用独立的p w m 控制，则各路输出之间的相互影响非常小。 电压模式控制p w m 的不足之处是对输入电压的动念响应较慢。 ( 2 ) 电流型控制 电流型控f 1 l j ( c u r r e n tm o d ec o n t r 0 1 ) 1 9 7 8 年首次提出【5 。电流型控制同时引入电容电 2 第一章绪论 压和电感电流2 个状态变量作为控制变量，提高了开关电源p w m 控制策略的性能。由 图1 2 町以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制方法 用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为p w m 比较器的一个输入信号。电流 型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通，开 关电流由初始值线性增大，检测电阻r 。上的电压k 也线性增大，当k 增大到误差电压k 时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。直到下一个时钟脉冲到来开始一 个新的周期。 图l - 2 电流型控制电路 f i g1 - 2c i r c u i to fc u r r e n t - m o d ec o n t r o l 采用电流控制有以下优点：能改善开关调节系统的瞬态特性。限制功率开关管 的最大电流值。多个变换器并联运行时，能改善均流效果。能改善整个系统的音频 衰减率。能改善开关调节系统的稳定性。 由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电压型控制方法有更快的负载 或输入瞬态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实 现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在 占空比大于5 0 时要产生次谐波振荡，从而产生稳定性问题。这通常可在比较器输入端 使1 一个补偿斜坡来消除f 6 7 】。 2 、非线性控制策略 d c d c 变换器是一个强非线性动态系统。目前，电力电子技术逐渐走向成熟，系统 的非线性现象已引起越来越多的关注。将低频小信号分析和传统的控制技术应用于大信 号条件下的系统可能是不稳定的。随着控制理论的发展，非线性控制技术也被尝试应用 剑d c d c 变换器的控制电路中。虽然有些控制技术还未被广泛应用，但因其控制性能独 特，应用f j 订景非常可观。 ( 1 ) 滑模控制 滑模变结构理论由日 苏联学者欧曼尔扬诺夫( s v e m e l y a n o v ) 、尤特金( v i u t k i n ) 于 2 0 世纪5 0 年代提出并发展至今，己经成为控制理论的一个重要分支f 8 】。滑模变结构控 制适用于线性系统、非线性系统、离散系统和高阶系统。它之所以逐渐受到重视，主要 是在于它的鲁棒性。滑模变结构控制系统对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及 外部干扰有极佳的不敏感性。将滑模控制应用到电力电子领域中，能获得优良的动态性 能，这已引起电力电子学者的广泛关注。国外有关学者早在2 0 世纪8 0 年代就开始了这 江南大学硕十学位论文 方面的研究。近几年，国内学者也开始积极地投入到电力电子系统滑模控制的研究巾去， 并取得了一定成果。 d c d c 开关变换器的结构在两个子拓扑间来回切换，因此它具有变结构的特点， 可直接利用变结构方法对其进行分析和控制，而不需作任何简化和近似。大量研究表明， 在d c d c 开关变换器中采用变结构控制，使系统具有快速良好的瞬态响应，并对参数 摄动及外界干扰具有强鲁棒性，且总的谐波失真小，电路实现简单【9 】。 滑模变结构控制的基本思想就是利用d c d c 变换器在导通和关断期间状态各小什i 同，通过合理的选择切换面，寻求一个控制集使系统在较短的时问内到达切换而，并且 在满足渐进稳定的同时，具有良好的动态品质。其关键问题就是切换而和控制集的选择， 文献 1 0 】选择双滑模面获得了良好的静态和动态特性。但是目前，该控制方法也存在着 难以克服的缺点，如高频抖振现象，还有待于进一步的研究。 ( 2 ) 自适应控制 传统的非自适应反馈控制参数的选择依赖于变换器的模型参数，但d c d c 变换器 系统参数往往是不精确的、变化的。如果控制器参数和实际参数不匹配，可能导致系统 性能下降，甚至引起系统不稳定。另一方面，变换器系统建模过程中做了许多假没，用 近似线性小信号模型来代替离散非线性系统，也就是说，模型和系统之间一定存在误差。 自适应控制策略可以有效地克服以上两点，是解决变参数系统控制的一种很好的方法。 图l - 3d c - d c 变换器的自适厘控制结构图 f i g1 - 3a d a p t i v ec o n t r o ls t r u c t u r eo fd c d cc o n v e r t e r 文献【1 1 将自适应方法引入d c d c 变换器的控制，整个自适应控制系统的结构如i 矧 1 3 所示。在文献 1 1 中，在状态空间平均模型的基础上，给出了占空比合成器和参数更 新率的表达式。该参数更新率实时更新模型参数，在线调节占空比合成器参数。该系统 对电路参数、输入电压及负载变化的抗干扰能力很强。由于d c d c 变换器的开关频率 很高，实时性是实现这一控制方案的主要难点，对处理器的性能要求很高。 ( 3 ) 神经网络控制 神经网络控制方法是基于人脑控制行为的生理学研究而发展起来的，是种具有广 阔应用前景的智能控制方法。由于神经网络具有非线性映像能力、自学习适应能力、联 想记忆能力，并行信息处理方式及其优良的容错性能，所以，它在非线性和复杂控制系 统中，起着巨大的作用。神经网络应用于非线性系统已经有很多年了，但主要用一j i 机器 人技术和自动控制系统。在电力电子领域，神经网络的应用还处于初级阶段，最近，不 4 ：， 第一章绪论 断有文章研究用神经网络来控制d c d c 变换器，这预示着神经网络在d c d c 变换器中 的应用将会不断增多。 控制方法采用监督学习的神经网络控制，用b p 算法，并由l e v e n b e r g m a r q u e d e t 舰则改进【i 引。仿真研究表明系统的精度和鲁棒性都得到了改善。这种神经网络控制器的 优点可总结如下：降低了输出电压的偏差，提高了控制系统的精度。对于输入电压 和负载的变化，具有快速的响应。由于神经网络控制器的输出是开关频率，这可以直 接而且很容易完成文中的控制算法。 ( 4 ) 单周期控制 竹周期控$ 1 j ( o n e c y c l ec o n t r 0 1 ) 是一种新颖的、采用恒定开关频率控制的非线性控 制策略【1 3 - 1 5 1 。这种策略利用开关变换器的脉冲和非线性特性，可实现对开关变量平均值 的瞬时动态控制。它的特点是开关变量平均值在经历一次过渡过程后，仅需一个开关周 其j j g j c 可达到新的稳态。该策略提供了快速的动态响应、极好的输入电源扰动抑制能力、 鲁棒性及自动开关误差校正，且可扩展到控制变频开关。单周期控制策略具有良好的通 川性，适用于电压或电流控制的p w m 变换器、谐振型变换器等。单周期控制的基本思 想如图1 4 所示。 图中，。为输入电源，k 为二极管电压，圪为输出电压。在控制系统中采用了一 个可快速复位的非线性积分器。把二极管电压矿连接至积分器输入端。每一个工作周期 巾，由时钟触发开关管q 导通，当积分器输出等于给定参考信号圪，时，比较器输出高 电平去控制触发器关断主电路功率开关，同时将积分器复位，从而控制占空比以达到间 接控制输出电压k ，的目的。开关频率f 由时钟控制。基本单周期控制的不足，主要表现 在控制器对开关误差的校j 下能力有限，系统存在一定的稳态误差，而且系统的负载动态 响应速度较慢，过冲严重。通过将输出电压误差信号引入积分器调节回路可以改进单周 期控制策略，消除了由于大信号或小信号的负载扰动而引起的输出电压的变化。应用该 控制策略的闭环系统具有抗干扰能力强、动态响应快和闭环系统电路阶数低等优点。 图1 - 4 单周期控制原理图 f i g1 - 4s c h e m a t i co fo n e c y c l ec o n t r o l ( 5 ) 模糊控制 模糊逻辑控$ 1 j ( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控$ i j ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以模糊集合论、 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1 9 6 5 年，美国的 江南大学硕十学位论文 l a z a d e h 创立了模糊集合论；1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉利蒸 汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控 制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系 统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力； 然而在东方尤其是在同本，却得到了迅速而广泛的推广应用。我国在模糊控制理论及技 术方面的研究起步较晚，是从二十世纪七十年代后期才刚刚开始。19 7 9 19 8 0 年我国曾 进行了模糊控制器算法及模糊控制器的电路实现问题的研究。进入8 0 年代以后，模糊 控制技术在我国发展速度较快。近2 0 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有 了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。 许多学者已经将模糊控制器运用到b u c k 变换器中。m a t t e v e l l i 和s p i a z z i 提出了基 于d c d c 变换器的通用模糊控制烈1 。7 1 。这种模糊控制器与相对于标准控制器相比，捉 高了超调量和参数变化敏感性两个方面的性能。p e r r y 和s e n 提出了一种新的设计方法， 该方法将模糊逻辑融合到线性的控制技术当中【1 8 】。在模糊控制器的初始阶段使用了变换 器的小信号模型和线性设计技术，并将仿真结果和实验结果与数字p i 控制器进行了比 较。b u t k i e w i c z 研究了带有模糊控制器系统的稳态误型旧】。j a r i a s ，a a r i a s 等人提出了 一种基于b u c k 变换器的模糊控制器的设计方法1 2 0 】。这种控制规则源于在相平面上对系 统动态的分析。这种设计方法也被应用到其它的变换器中。 t a k a g i s u g e n o ( t - s ) 模糊模型自1 9 8 5 年提出以来，。正获得越来越多的学者关注，并 取得了丰硕的成果。在采用t - s 模糊模型的控制系统设计中，可以将传统的线性系统控 制方法与模糊控制方法良好地结合起来。t - s 模糊模型的提出使得模糊控制具有了进jj ： 严格理论分析的能力，许多学者对t - s 模糊控制系统的分析设计进行了深入的研列引锄l 。 在大部分关于t - s 模糊系统分析与设计的文献中，都是基于普通的二次l y a p u n o v 函数 ( c q l f ) 方法【2 i 】，采用并行分配补偿( p d c ) 策略【2 2 】，将最后的稳定性判据以及控制器设汁 方法转化为线性矩阵不等式( l m i ) 的形式【2 引，采用发展已经比较完善的线性矩阵不等 凸优化方法求解。 ； 1 2 2 控制技术 d c d c 变换器的模拟控制在建模方法、控制技术和工程应用等各方面都比较成熟， 但仍存在以下不可克服的问题：控制电路复杂，采用元器件较多，不利于向小型化发 展。一旦控制电路成型，不易修改，调试不方便。控制不灵活，不易实现复杂控制 策略等。要解决这些问题，全数字控制是d c d c 变换器发展趋势。全数字控制的优点为： 数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差 可以进行精确的数字校正，电压检测更精确；可以实现快速、灵活的控制设计和复杂控 制策略等。 l 、模拟控制 在传统功率电子技术中，d c d c 变换器控制部分是按模拟信号进行设计和工作的。 在六、七十年代，功率电子技术完全建立在模拟电路的基础上，模拟元器件易受环境和 6 第一章绪论 温度变化的影响，所以模拟控制器稳定性差。硬件电路设计复杂，设计完成后不易改动， 实现过压、过流保护、输出电压调节比较困难。 2 、数字控制1 2 钔 ( 1 ) 基于单片机的控制技术 基于单片机的控制技术是采用单片机通过外接a d 转换芯片对检测信号进行采样， 采样后对采得的数据进行运算和调节，再将结果通过d a 转换后传到p w m 芯片中，实现 单片机对d c d c 变换器的间接控制。 d c d c 变换器基于单片机控制的特点是：技术上比较成熟，设计方法容易掌握，且 对译片机要求不高，成本较低。但控制电路采用多个芯片，电路相应较复杂，数据经a d 、 d a 转换存在较大的延时，影响动态性能和稳压精度。实际应用中有将p w m 集成于单片 机内部，但由于产生的p w m 输出频率和精度成反比，无法获得足够频率和精度的p w m 输 l 信号，适用范围有限。 ( 2 ) 基于数字芯片d s p 的控制技术 基于d s p 的控制技术是采用高性能的数字芯片完成信号采样a d 转换和p w m 输出 等，通过d s p 对变换器实现直接控制，但由于输出的数字p w m 信号功率不足以驱动功率 开关管，需通过驱动芯片实现开关管的驱动。 d c d c 变换器基于d s p 控制技术的特点是：与用单片机控制相比，d s p 自带a d c 口 简化了电路设计，采样和运算速度较高，能快速有效地实现各种复杂的控制策略，动态 性能和稳压精度较高。但由于d s p 控制技术较难掌握，对设计者要求较高，d s p 芯片的 结构较复杂，相应成本较高，难以在d c d c 变换器控制中广泛应用，目前主要应用在要 求变换器性能很高且价格昂贵的场合。 ( 3 ) 基于f p g a 的控制技术 现场可编程序门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 是在p a l 、g a l 和e p l d 等i t j 编程序器件的基础上发展的数字器件。作为专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 领域中的一种半定制电路，它既解决了定制电路的不足，又克 服了原有可编程序器件门电路数有限的缺点。 由丁d s p 和f p g a 都具有强数据处理能力，因此都能用于实时性要求高的d c d c 变 换器的数字控制器设计中，其区别在于： d s p 的运算主要是按先后顺序执行程序语句， 而f p g a 足基于硬件的数据处理器，所有程序结构是并行执行的。用户不能定义d s p 的接口，而f p g a 的接口可由程序定义。不同厂家d s p 的语言开发系统不能通用，而 f p g a 的语言有相关的标准，可直接用于不同型号的f p g a 中。性价比方面，d s p 有自 1 4 仃h - a d c ，但在对采样精度和速度要求高的场合中，往往满足不了d c d c 变换器要求，需 考虑外置高性能的a d c ，会造成d s p 内部资源的浪费。因此，文献【2 5 】认为f p g a 在高性 能d c d c 变换器的数字控制器中具有一定的优势。 f l 自订，开关电源的控制已由模拟控制、模数混合控制逐步进入到全数字控制阶段。 f h 过去数字控制在d c d c 变换器中用得很少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片 已被开发，费用也逐步降到比较合理的水平。欧美国家已有多家公司开发并制造出d c 7 江南人学硕士学位论文 d c 变换器的数字控制芯片及软件。 1 3 本文所做的工作 本文详细分析了d c d c 变换器的基本拓扑结构及其主要参数计算方法；对d c d c 变换器常用的建模方法、控制策略、控制技术的研究现状进行了综述和总结。在 m a t l a b s i m i n k 环境下建立b u c k 变换器和b o o s t 变换器的p l e c s 本体模型。以b o o s t 变换器为控制对象，结合传统p i 控制和新型模糊控制构建复合控制器，通过仿真验 了这种策略的可行性。以b u c k 变换器为控制对象设计t - s 模糊控制器进行仿真，并1 i p i 控制仿真比较，结果表明t - s 模糊控制能有效改善变换器的动静态性能。 为了验证本文模糊控制算法的有效性，选用b u c k 变换器为实验电路，采用t i 公i 习 的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 为核心器件设计了一台小型控制系统，实现了d c d c 变换器的数字控制。除控制算法以外，也从硬件电路设计和软件设计方面着手改善系统 的性能。最后对实验结果进行了分析。以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制核心构成的d c d c 变换 器控制系统具有结构简单、可靠性高、动态性高、可以通过软件设置保护等优点。 1 4 本文各章节的安排 论文各章节安排如下： 第一章阐述了本文研究的目的和意义，并对d c d c 变换器的控制策略和摔制技术 研究现状进行了综述和总结。 第二章围绕着d c d c 变换器本身，以b u c k 、b o o s t 及b u c k b o o s t 这三种基本的变 换器为例，介绍了d c d c 变换器主要参数的设计及其器件选择方法和几种常用的建模 方法及各种方法的优缺点。 第三章详细介绍了模糊控制的基本理论，以及如何把模糊控制理论应用在d c d c 变换器的控制中做了详细的论述。最后结合模糊控制进行了软件仿真实验，仿真结果验 证了两种模糊控制算法的有效性和可行性。 第四章根据建模仿真的设计方法，设计了一台基于d s p 控制的小型的控制系统，并 就具体的主电路、检测电路、驱动电路和辅助电源电路给出了参数的计算和器件选择。 最后在硬件的基础上设计了系统软件并进行了实际实验。 第五章对本文所做工作作了一个适当的总结，提出取得的成果和存在的不足，并提 出了以后的发展方向。 8 第二章d c d c 变换器的拓扑结构和建模方法 第二章d c d c 变换器的拓扑结构和建模方法 2 1 概述 功率开关变换器利用调节开关的开启和关断来调节变换器输出电压的大小，即把输 入的电能转化为符合输出要求的高效率电能【2 6 1 。按照功率转化类型，功率开关变换器可 分为下列p q 种类型： ( 1 ) d c d c ( 直流一直流) 变换器； ( 2 ) d c a c ( 直流一交流) 变换器； ( 3 ) a c a c ( 交流一交流) 变换器； ( 4 ) a c d c ( 交流一直流) 变换器。 d c d c 变换器又称斩波器，具有成本低、可靠性高、结构简单等特点，被广泛应 刖于便携式电子设备、工业仪表、航空航天、通讯及电车的无级变速等领域，能够实现 卜述控制获得加速平稳、快速响应的性能，还能够有效抑制电网侧谐波电流噪声及节约 r 乜能。由于d c d c 变换器具有最基本和最简单的电路结构，为提高其工作效率而采取 的控制措施也可被其他变换电路所采纳，因此对d c d c 变换器有关问题的研究也一直 是电力电子学术界关注的领域。 2 2d c d c 变换器的种类及结构 d c d c 变换器根据对电子开关的控制方式可分为：p w m 脉冲调制式、谐振式及它 们的结合方式【2 7 1 。而依据输入输出问是否有电气隔离分为两类：没有电气隔离的称为不 隔离直流变换器，有隔离的称为隔离式直流变换器。不隔离直流变换器按开关器件个数 分为单管、双管和四管三类。单管直流变换器有六种：b u c k 变换器，b o o s t 变换器， b u c k b o o s t 变换器，c o k 变换器，s e p i c 变换器，z e t a 变换器。双管d c d c 变换器有双 管串接升压型b u c k b o o s t 变换器。隔离d c d c 变换器，单管的有正激式和反激式两种， 双管的有双管j 下激、双管反激、推挽和半桥等四种。全桥d c d c 变换器是常用的四管 直流变换器。 表2 1 列出了单管不隔离六种d c d c 变换器的电路形式、电路特点。 下面就b u c k 变换器，b o o s t 变换器，b u c k b o o s t 变换器三种最常见的单管不隔离拓 扑结构为例分析d c d c 变换器的电路形式、电路特点及其主要参数计算与器件选择的 方法。 2 2 1b u c k 变换器 b u c k 变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 ( 1 ) 线路组成 图2 1 所示为由以占空比d ，。工作的晶体管q 、二极管d 、电感l 、电容c 组成的 b u c k 变换器电路图。电路完成把直流电压圪转换成直流电压k 的功能。 9 江南大学硕十学位论文 表2 1 单管不隔离d c d c 变换器 t a b2 - ln o n i s o l a t e ds i n g l et u b ed c d cc o n v e r t e r 名称电路形式 ， 电路特点 “、f 唧虼 是一种降压型d c d c 变换电路，输山 b u c k 变换器 k i j 电压小于或等于输入电压。输入电流 断续。 ld b o o s t 变换器 )r qj 0 是一种升压型d c d c 变换电路，输出 电压人于输入电压。q 的占空比d y 必须小于1 。输入电流连续。 q d 是一种升降压型d c d c 变换电路，输 b u c k b o o s t 圪j r 半。1 出电压人于或小于输入电压。输i u 变换器 压极性和输入电压极性相反。输入电 流断续。 是一种升降压型d c d c 变换电路，输 c f i k 变换器 丌1 可k 出电压大丁或小_ 丁输入电压。输出电 压极性和输入电压极性相反。输入电 流连续。 是一种升降压型d c d c 变换电路，输 s e p i c 变换器 一q c i可 出电压人于或小于输入i 乜压。输电 压极性和输入电压极性相同。输入电 流连续。 是一种升降乐型d c d c 变换电路，输 z e t a 变换器 一”f 卜 出电压人于或小于输入电压。输f l j 电 压极性和输入电压极性相同。输入电 流断续。 ( 2 ) 电路特点 b u c k 变换器足一种降压型d c 。d c 变换电路，输出电压小于或等于输入电压。b u c k 变换器可以工作在连续和断续状态，但是在晶体管截止的部分开关周期输入电流下降到 零，输入电流总是断续的，使得输入e m i 滤波比其他拓扑需要的大。另外b u c k 变换器 栅极驱动比较困难。 苇 l r- 。 c 图2 1b u c k 变换器电路 f i g2 1c i r c u i to fb u c kc o n v e r t e r l o 第二章d c d c 变换器的拓扑结构和建模方法 ( 3 ) b u c k 变换器的参数计算与器件选择 流过电感l 的电流最大值 l i n a x = l + 拉= 卺【l + 篆”明】 亿， 式中，r m 为负载电阻；t o 为负载电流；d ，为d 窄_ l l ；瓦为开关周期。 开关管q 和续流二极管d 承受的最大电压为圪。开关管q 和续流二极管d 的电压 定额为 = = ( 2 3 ) ( 2 2 ) 开关管q 和续流二极管d 1 的电流定额为 t j = 厶= ( 1 5 2 ) 1 1 。戤 ( 2 3 ) 滤波电感的计算，由 肾毕b 驴半q 五 ( 2 4 ) 得滤波电感量为 三：v , , , o - d _ y 一) d y 五 ( 2 5 ) 凸l l 当d = 0 5 时，l 最大。 滤波电容的计算，电容c 在一个开关周期内的充电电荷为 a q ：一1 a i lt s ：篓 ( 2 6 ) 2 2 2 8 疋 输出脉动电压为 圪= 等= 皆 ( 2 7 ) 滤波电容量为 c ：( 1 - d y ) 圪 ( 2 8 ) 8 z f , x v o 、。 2 2 2b o o s t 变换器 b o o s t 变换器又称升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。 ( 1 ) 线路组成 图2 - 2 所示为由以占空比d 。工作的晶体管q 、二极管d 、电感l 、电容c 组成的 b o o s t 变换器电路图。电路完成把直流电压升压到圪的功能。 图2 2b o o s t 变换器电路 f i g2 - 2c i r c u i to fb o o s tc o n v e r t e r 江南大学硕十学位论文 ( 2 ) 电路特点 b o o s t 变换器是一种升压型d c - d c 变换电路，输出电压大于输入电压。q 的占空比 q 必须小于l ，输入电流连续。 ( 3 ) b o o s t 变换器的参数计算与器件选择 流过电感l 的电流最大值 k 却1 = 。一i 缈o + 鼍警 ( 2 9 ) 式中，为输入电流：j o 为负载电流；d ，为占空比；石为开关频率。 开关管q 和续流二极管d 承受的最大电压为g o 。开关管q 和续流二极管d 的电压 定额为 = = ( 2 3 ) v o ( 2 1 0 ) 开关管q 和续流二极管d 的电流定额为 乇= l = ( 1 5 2 ) l 懈 ( 2 1 1 ) 滤波电感的计算，由 y t = d y r s ( 2 1 2 ) 得滤波电感量为 三：兰婴( 2 f ， 。 滤波电容的计算，如果输出电压脉动很小，则输出脉动电压由下式决定： 岈篑 滤波电容量为 c ：旦生 s a v o ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 2 3b u c k b o o s t 变换器 b u c k b o o s t 变换器又称降压升压变换器、反号变换器。 ( 1 ) 线路组成 图2 - 3 所示为由以占空比d 。工作的晶体管q 、二极管d 、电感l 、电容c 组成的 ， b u c k - b o o s t 变换器电路图。电路完成把直流电压升降压到v o 的功能。 od 图2 3b u c k b o o s t 变换器电路 f i g2 - 3c i r c u i to fb u c k b o o s tc o n v e r t e r ： 1 2 第二章d c d c 变换器的拓扑结构和建模方法 ( 2 ) 电路特点及器件选择 b u c k b o o s t 变换器是一种升降压型d c d c 变换电路，输出电压大于或小于输入电 压。输出电压极性和输入电压极性相反。开关晶体管所承受最大电压为+ 圪，最大峰 值电流为l 4 - j 1 t ，平均电流为啬_ l 。所需二极管d 最大电压为屹4 - 圪，最大峰值 电流与i 相同，平均电流为f 去l 。但是它的应用电路稍显复杂，因为输入电流，输 出电流是脉动的，为了平波要加滤波器。 2 3d c d c 变换器的建模方法 d c d c 变换器因其开关器件周期性地导通和截止使得电路拓扑周期性地发生改变， 刚此，d c d c 变换器本质上是一非线性时变系统。其动态特性的解析解的分析方法较 复杂，阻碍了这类系统的动态分析和设计的顺利进行。对d c d c 变换器建模方法的研 究足分析变换器元件及系统动态特性的重要理论基础，也是进行电路参数优化及控制器 设计的必要i j 订提【2 蹦0 1 。下面介绍三种最常用的建模方法，包括基本小信号建模法、状态 空i 日j 平均法、开关元件平均法。 2 3 i 小信号建模方法 以理想b o o s t 变换器为例对小信号基本建模法作简要介绍。 图2