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开题报告 草稿范文 毕业设计（论文）开题报告题目基于EP1C3T144最小电源控制器设计的研究专业电气工程及其自动化班级电气091学生邓志田指导教师孙强xx年 一、毕业设计（论文）课题、类型开关电源控制技术的研究类型软硬件相结合 二、选题的目的及意义目的1掌握FPGA基本原理和开关电源控制器的设计原理和方法。 2掌握Quartus II软件的使用方法。 3培养学生查找、阅读文献和撰写论文的基本科学研究能力4通过本次毕业设计的整个过程，培养学生独立分析、解决问题的能力，以及培养学生的科学研究方法和精神，从而提高学生综合素质。 意义随着电力电子技术的高速发展,开关电源得到了广泛应用,而日新月异的高科技产品也对开关电源提出了更高的要求。 开关电源的模拟控制技术也发展了很多年,各方面都比较成熟,但却无法克服固有的缺点:控制电路复杂、元器件比较多、不利于小型化的发展;控制电路一旦成型,很难修改,调试不方便;控制不灵活,复杂的控制方法也难以用模拟方法实现，相比之下数字控制克服了模拟控制所面临的难题，同时控制芯片发展，出现了电源芯片，使得开关电源的设计更简单，性能可靠，但是使用专用芯片制作的开关电源输出通常为单一状态，若要改变状态要对硬件电路进行修改，使用单片机控制时，处理速度难以满足高频电路的要求，使用DSP作为控制芯片，成本相对较高，适用于特殊领域，相比之下fpga不光具有强大的控制能力，用硬件描绘语言编程，灵活性更强大，很容易升级，而且随着FPGA发展，有向着低成本发展的趋势。 因此选择具有优越的控制性能，并且成本合理的控制方案势在必行。 开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组成部分,脉宽调制(PWM)型DC/DC开关电源变换器广泛应用于照相机!摄像机!PDA!手提电脑等便携式电子产品中随着便携式产品日益广泛的应用,对开关电源的体积和稳定性提出了更高的要求PWM型DC/DC变换器有模拟和数字两种架构模拟架构的产品体积小!功耗低,占市场的主流,但其对噪声很敏感而数字设计架构可扩展性好,稳定性高,对外界的噪声相对不敏感,正好可以弥补模拟架构的缺点从DC心C变换器的发展需求看,数字化控制技术是必须的随着科技的发展,用电设备对高质量电源的需求日益增多,应用模拟电路控制电源的研究与应用己经发展多年,但它仍存在许多不足之处集成系统和数字控制技术的完美结合与迅猛发展,带动电力电子电路控制领域向着更高频率!更低损耗的方向发展现场可编程门阵列器件(FPGA)是近年出现的高集成电路,具有经济!高速度!低功耗!便于开发和维护(升级)等显著优点并以其速度更快!集成度更高!通用性更强等优势,从单片机和DSP等集成电路中脱颖而出,成为目前电力电子控制领域中研究与应用的热点cyclone优势虽然数字控制有着明显的优势,但它还不能完全满足开关电源的要求,而能达到要求的又过于昂贵,所以应用还并不广泛但随着控制处理器技术的提出,数字控制技术在开关电源中必将得到广泛的应用 三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势研究状况电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程,与此相应,电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的,由分立元件组成的控制电路发展到集成控制电路,再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制,并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便,温度漂移严重、容易老化等缺点，专用模拟集成电路控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路,提高了控制信号的开关频率，但模拟电路的固有缺陷,如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在此外,模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。 用数字化控制代替模拟控制,可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点,有利于参数整定和变参数调节,通过软件程序的改变,方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略,同时可以减少元器件的数目、简化硬件结构,从而提高系统的可靠性。 在电力电子控制电路中,单片机主要作数据采集和运算处理、电流电压调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等,一般作为整个电路的主控芯片运行,完成多种功能单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷,通过数字化的控制方法,得到高精度、高稳定性的控制特性,并可实现多种灵活的控制功能，但是单片机的工作频率和控制精度是一对矛盾,而且处理速度难以满足高频电路的要求。 与单片机相比,DSP具有更快的处理速度、更高的集成度和更大容量的存储器，在电力电子装置中,DSP主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能，应用的具体电路包括双向DC/DC变换器、逆变电源、光伏发电逆变器、UPS逆变控制电路、交流电机调速电路、谐波抑制电路等，虽然DSP有许多优点,但也存在一定的局限性,如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度等，这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。 比较而言,DSP适合采样速率低和软件复杂程度高的场合;而当系统取样速率高(MHz级)、数据率高,条件操作少,任务比较固定时,FPGA更有优势。 FPGA已用于逆变器控制系统、直流电机调速、PWM控制等。 目前单片机、DSP、FPGA等在电力电子电路的控制系统中得到了日益广泛的应用。 开关电源发展现状趋势随着电力电子技术的高速发展,开关电源得到了广泛的应用,而日新月异的高科技产品也对开关电源提出了更高的要求开关电源的模拟控制已比较成熟,但却又无法克服的缺点,现已开发出数字控制技术主要有以下两种方法:第一种是单片机通过外接A一D转换芯片进行采样,采样后对得到的数据进行运算和调节,再把结果通过D一A转换后传到PWM芯片中,实现单片机对开关电源的间接控制第二种是通过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制,数字芯片完成信号采样A一D转换和PWM输出等工作,由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管,需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动这样就可以简化控制电路的设计,由于这些芯片与比较高的采样速度和运算速度,可以快速有效的实现各种复杂的控制算法,实现对电源的有效控制,有较高的动态性能和稳压精度随着数字芯片和电源技术的发展,现在出现了为电源控制而开发出来的控制处理器,它主要由高速A一D转换器,数字PID补偿器和数字PWM输出三部分组成,反馈环路的控制由它来完成,中央处理器作为管理模块应用在电源上采用新的技术大大降低了A一D转换需要的时间,可以达到兆赫级采样频率虽然数字控制有着明显的优势,但它还不能完全满足开关电源的要求,而能达到要求的又过于昂贵,所以应用还并不广泛但随着控制处理器技术的提出,数字控制技术在开关电源中必将得到广泛的应用开关电源的未来趋势:1.高频化高频化是目前开关电源技术发展的主要方向之一,也是高频开关电源整流器发展的主要趋势之一2.模块化模块式结构除了具有很强的适应性外,还有一些很重要的优点,如:系统初始投资少!扩容非常方便!安装运输方便!冗余方式工作额外投入很少!维护快捷方便等3.智能化智能化是现代通信系统对其基础供电电源高标准要求的必然结果,是新型单片机技术在开关电源领域应用的完美体现4.标准化目前高频开关整流器产品在设计时需满足的标准,除自身规范要求外,主要有电磁兼容标准和安全标准两种数字控制器发展随着电力电子技术的高速发展,开关电源得到了广泛的应用,而日新月异的高科技产品对开关电源提出了更高的要求，开关电源模拟控制技术发展了很多年,己经比较成熟,但是却无法克服固有的缺点，而开关电源采用全数字化控制与模拟控制相比,具有以下优势。 1.数字控制器温度漂移小,抗干扰能力强,稳定性好,系统的可靠性高易于标准化由于数字控制芯片的高可靠性,必然导致整个变换器系统的可靠性提高2.可以有效的提高电源的一致性,克服模拟控制带来的产品性能分散性在模拟控制应用中,不可避免地将遇到因器件参数离散造成的电源性能偏差,只有在设计时不断的调整系统参数来尽量减小参数分散性对系统性能的影响;在数字控制应用中,由于采用统一标准化的软件实现控制,控制方面可以达到较好的一致性3.系统监控和维护方便系统一旦出现故障,可以很方便地通过RS232接口或者RS485接口或者USB通讯接口进行调试!故障查询!历史记录查询故障诊断!软件修复等;也可以通过MODEM或者节尾b/SNMP网络远程操作这样就可以以较低的成本完成自我校正和远程服务,也给厂家的售后服务带来很大的方便-.日,4.采用数字控制方案,使得许多高级!复杂的算法有可能通过数字控制器来实现相对于传统的应用广泛的PID控制器,在上个世纪,人们提出许多高级!复杂的控制策略以满足用户对控制特性的越来越高的要求,其中应用比较成功的有模糊控制!神经网络控制!无差拍控制!自适应控制等-21.-24这些新型的控制策略,与传统的PID控制策略一起使用,可以取长补短,有效的提高系统的性能因此使用数字技术来设计和开发开关电源势在必行，目前实现开关电源数字控制主要有以下两种方法使用单片机通过外接AD转换芯片进行采样,采样后对得到的数据进行运算和调节,再把结果通过DA转换后传到P删芯片中,实现单片机对开关电源的间接控制这种方法的技术目前已经比较成熟。 另一种，使用高性能数字芯片如DSP对电源进行直接控制,数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作。 可编程逻辑器件的发展随着微电子设计技术与工艺的发展,数字集成电路从电子管!晶体管!中小规模集成电路!超大规模集成电路(VLSIC)逐步发展到今天的专用集成电路(ASIC)ASIC的出现降低了产品的生产成本,提高了系统的可靠性,缩小了设计的物理尺寸,推动了社会的数字化进程但是ASIC因其设计周期长,改版投资大,灵活性差等缺陷制约着它的应用范围可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步从早期的只能存储少量数据,完成简单逻辑功能的可编程只读存储器!紫外线可擦除只读存储器和电可擦除只读存储器,发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列逻辑和通用阵列逻辑,今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程逻辑器件(FPGA)随着工艺技术的发展与市场需要,超大规模!高速!低功耗的新型FPGA/CPLD不断推陈出新新一代的FPGA甚至集成了中央处理器或是数字处理器内核,在一片FPGA上进行软硬件协同设计,为实现片上可编程系统提供了强大的支持现场可编程门阵列(FPGA)是由大量的门和触发器组合在一起的积木式结构的芯片,是在全定制ASIC的基础上发展出来的,它克服了全定制AS工C不够灵活的缺点,非常适合大规模数字信号处理和数字控制场合发展趋势随着电力电子电路的日益高频化和复杂化,这些芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果,因此各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要的发展趋势。 l)单片机+DSP结构比如,在UPS中,DC/DC、AC/DC的控制可以采用单片机,而DC/AC的控制则采用运算速度和频率更高的DSP芯片。 2)DSP+FPGA结构DsP具有软件的灵活性,而FPGA具有硬件的高速性,能够处理复杂算法,有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。 3)嵌入DSP模块的FPGA将具有基本数字信号功能的DSP模块嵌入到FPGA中,这样FPCA提供的DSP性能可以达到每秒1280亿MAC(乘法并累加),大大高于目前主流DSP的性能。 四、本课题主要研究内容 1、查阅相关资料，结合所查资料，写开题报告。 2、查阅开关电源控制方法，选取具体的开关电源拓扑，并根据其控制需求，进行控制器各个功能模块的程序设计并进行功能仿真。 3、设计控制器各模块硬件电路，并完成控制器PCB设计。 五、完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）条件计算机一台，可编程逻辑器件开发软件QuartusII7.2，基于EP1C3T144的最小系统开发板研究手段一个简单的基于FPGA控制系统原理图如下图1，Cycl one内部平面布局可编程逻辑器件的结构原理图=基于FPGA的数字化电源控制器的研究1cyclone系列芯片介绍FpGA的设计流程1,3PWM型DC/DC变换器控制方法PwM型Dcoc变换器是强非线性离散模型9由于开关器件在一个周期内既工作在饱和区又工作在截止区,系统是按时间分段线性的!时变的外部瞬态或持续扰动会引起变换器工作参数的非线性变化脉宽调制器具有饱和非线性,系统在工作时占空比有上限和下限系统是离散系统,其控制部分有脉宽调制器,在每一个开关周期内,通过驱动器控制开关通断一次,控制是不连续的PWM型DC/DC变换器的控制目的: (1)稳态下保证直流输出电压稳定,输出误差为零; (2)具有低输出阻抗和低频衰减,瞬态响应好; (3)控制系统对电路参数的不确定性具有强的鲁棒性目前,DC/DC变换器有多种控制方法,如双线性理论!滑模变结构控制!自适应控制!模糊控制!重复控制!数字PID控制等,现将几种主要控制方法介绍如下:(l)双线性理论双线性理论属于非线性理论20范畴双线性理论模型相对于小信号线性化模型有更大的适用范围在该模型的基础上应用切apunov方法,采用状态反馈控制,对负载扰动有较强的抗干扰能力,但若考虑输入电压扰动,分析将十分复杂 (2)滑模变结构控制该控制系统能在保持稳定性的同时,具有快速响应,对参数变化不敏感,不受某些外部扰动影响的特点虽然滑模控制实现较简单,但其主要缺点是开关频率不固定,输出纹波较大,对滤波器的设计要求较高 (3)自适应控制由于系统参数是不精确的!变化的,采用该控制系统能有效地克服控制器参数和实际参数不匹配的问题;再则,尽管PWM的开关频率通常很高,但对变换器的控制仍是不连续的,使用连续的占空比合成器代替实际离散的PWM控制器,系统的实际行为必然会受到有限开关频率的限制,与预测的平均行为不同,自适应控制还能有效克服建模误差但是由于DC/DC变换器的开关频率高,实时性是这类控制实现的主要难点 (4)模糊控制传统的控制系统设计方法依赖于系统数学模型和参数的显式描述,但对象模型常常是的或者是难以定义的,即使模型是已知的,而参数却是不确定的或变化的模糊控制从本质上看基本上是自适应的在处理这类问题时可以增强系统的鲁棒性但模糊控制系统的分析和设计缺乏系统的方法,而且不能保证规则库的完整性,以及在选择隶属度函数的形状!重叠度和量化水平时缺少明确的判度 (5)重复控制12.122l重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理该原理指出:若要求一个反馈系统具有良好的跟踪指令和抵消扰动影响的能力(即稳态时误差趋于零),并且这种对误差的调节过程是结构稳定的,则在反馈控制回路内部必须包括一个描述外部输入信号(含指令信号和扰动信号)动力学特性的数学模型这个外部信号的数学模型就是所谓的/内模0从理解的角度看,内模原理的一个直观简练的表达是:好的控制器应该包含有外部世界的一种模型积分控制器就是内模原理的一个应用但重复控制方法对建模的精确性要求高,系统的稳定性与高次谐波抑制能力存在矛盾,收敛速度问题也是在系统设计中要考虑的问题之一 (6)数字PID控制1借助于QuartusII7.2软件,用硬件描述语言设计FPGA器件来实现高精度PWM输出2产生PWM波后，在经过驱动电路对电压的提升，控制开关管的通断。 3将驱动电路的控制部分与主回路进行隔离，避免主回路的强电对控制回路的弱点信号进行干扰。 六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标 1、第1-2周查阅中英文资料、撰写开题报告、熟悉QuartusII7.2软件环境。 2、第3-4周掌握EP1C3T144FPGA结构及实现简单编程，了解开关电源的控制需求，掌握开关电源控制原理。 3、第5-7周根据调研，选取具体的开关电源拓扑，并根据其控制需求，进行初步仿真分析，进行控制器各个功能模块的程序设计并进行功能仿真。 4、第8-9周翻译英文文献，撰写中期报告，准备中期进度答辩，并交出中期报告 5、第10-12周在开发板上进行模块功能的调试，并完成程序联调。 6、第13-15周进行基于EP1C3T144的最小系统设计，并