5kw降压型dcdc变换器的软件设计 课设开题报告

武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）电能是当今最重要的能源形式，使用最方便，适用范围非常广，并且是清洁无污染的。电能变换则是用电之门，是用好电的必由之路。供人类使用的电能都是通过一些方法生产或收集得来的，发电站是交流电网的源头。直接从电网或电池汲取的电能在某种意义上都是“粗电”。在大多数情况下，使用这些“粗电”都不能尽如人意，譬如电网上的电就不一定好使，需要稳压器等对电网的“粗电”进行整合和修补。由于电力电子技术的发展，功率半导体开关器件的长足进步，DCDC等电能变换技术在电网和用户之间起到较佳的缓冲匹配作用。DCDC变换器是将一种直流电变换为另一种形式直流电的技术，主要对电压、电流实现变换，由于其转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻、灵活的正负极性和升/降压方式等优点。它在计算机，通讯，家用电器，航天航空，交通，国防军工，工业控制等领域有着广泛的应用前景。开关电源由功率级和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数、外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的输出电压或者电流保持恒定。因此，在开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说是非常重要的。采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果。11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DCDC变换器的控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DCDC开关变换器性能要求的提高，非线性控制策略逐渐应用在DCDC开关变换器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。线性控制策略包括电压型控制和电流型控制。电压模式控制PWM有以下优点振荡电路输出的锯齿波幅值较大，在进行脉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，故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PWM控制，则各路输出之间的相互影响非常小。电压模式控制PWM的不足之处是对输入电压的动态响应较慢。电流型控制CURRENTMODECONTROL1978年首次提出的。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。DCDC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到DCDC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，应用前景非常可观。非线性控制策略包括滑模控制，自适应控制，神经网络控制，单周期控制和模糊控制。12控制技术DCDC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，包括模拟控制和数字控制两种，其中数字控制又包括基于单片机的控制技术，基于FPGA的控制技术和基于基于DSP的控制技术。TMS320LF240X是定点的DSP芯片，其功能强大的结构设计提供了低成本，低功耗和高性能的处理能力。它集成了对电机的数字化运动控制非常有用的先进外设，提供真正的单芯片数字信号控制器解决方案。与24XDSP控制器芯片代码兼容的同时，240X芯片具有处理性能更好（40MIPS,外设集成度更高，程序存储器更大以及A/D转换速度更快等特点。基于DSP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PWM输出等，通过DSP对变换器实现直接控制，但由于输出的数字PWM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。DCDC变换器基于DSP控制技术的特点是与用单片机控制相比，DSP自带ADC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DSP控制技术较难掌握，对设计者要求较高，DSP芯片的结构较复杂，相应成本较高，难以在DCDC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。近年来数字控制在开关电源中得到迅速的发展。随着芯片技术的不断发展，特别是DSP芯片技术的发展，各种在模拟电路中难以实现的现代控制方法也开始应用于开关电源的控制中，使得模拟控制向数字控制转变。数字PID控制便在这样的背景下应运而生。模拟PID控制的开关电源系统存在电路复杂，调整困难，可靠性不高等问题。本文借助于DSP芯片强大的运算功能将模拟PID控制进行数字化改进。采用积分分离、设置偏差死区、数字滤波等方式，提出了一套适用于开关电源系统的数字PID控制方案。试验表明，该控制技术使开关电源实现对电源的有效控制，具有良好的动态性能和稳态性能大大提高了设备的可靠性和对用户的适应性。2、基本内容和技术方案21系统建模目前对开关变换器的分析方法有很多，常见的是RDMIDDLEBROOK提出了状态空间平均法，还有丘水生提出的等效小参量法，小型号模型，以及开关元件与开关网络平均模型法等。本文以典型降压BUCK开关变换器为例，采用状态空间平均法进行建模，并对分析的结果采用MATLAB进行仿真，针对仿真结果及设计要求对电路进行PID控制。BUCK电路电路图如图1所示USRDDRLLQ1RQRCCR图1BUCK电路图211求平均变量为了滤除变换器各变量中的开关纹波，使各变量中的直流分量与交流小信号分量间的关系突显出来，仍需采取在一个开关周期内求变量平均值的方法，并以状态方程的形式建立各平均变量间的关系，称为平均变量的状态方程。对于CCM模式下的理想DCDC变换器，在一个开关周期内，对应开关元件的不同工作状态，通常可以将变换器的工作过程分为两个阶段。针对每个工作阶段，都可以为变换器建立线性状态方程。当变换器满足低频假设与小纹波假设时，对于状态变量与输入变量可以用其在一个开关周期的平均值代替瞬时值，并近似认为平均值在一个开关周期内维持恒值，不会给分析引入较大的误差。取电感电流和电容电压作为状态变量，组成二维状态向量。LITTCUTX取输入电压作为输入变量，组成一维输入向量，TLCITUT，OSU取电压源的输出电流和变换器的输出电压作为输出变量，组成二维输SLITOT出向量。T,LOYTITU212分离扰动得到平均变量扰动方程以后，为了进一步确定变换器的静态工作点，并分析交流小信号在静态工作点处的工作状态，应对平均变量进行分解，分解为直流分量与交流小信号分量之和。利用状态方程两边的直流量，交流量分别与之对应项相等，得到变换器的静态工作点以及交流小信号状态方程与输出方程，其中方程中状态向量的稳定值由静态工作点的值确定。213线性化当变换器满足小信号假设时，小信号乘积项的幅值必远远小于等式右边其余各项的幅值，因此可以将这些乘积项从方程中略去，而不会给分析引入较大的误差，以达到将非线性的小信号方程线性化的目的。对交流小信号状态方程与输出方程进行分析，得到1CCCLDURITCLCLSSCLIUIQDTRLCOCLUI22PID控制的数字化典型PID控制的传递函数如式1所示（1）PDIDI11GSKTKSSP式中KP比例系数TI积分时间常数TD微分时间常数将式1经过拉氏变换，并考虑初始值，即可求得时域内理想的模拟PID控制算式如式（2），如下（2）PIDOUTKETTKUET由于DSP控制器根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式2中的积分和微分项不能直接使用，需要做离散化处理。按照模拟PID控制算法的算式2，现以一系列的采样时刻点代表连续的时间，以和式代替积分，以增量代替微分，则可得到离散化的PID表达式为（3）NPIJDN1O1UKEEUN式中J采样序号，J0,1,2NUN第N次采样时刻的控制器输出值EN第N次采样时刻输人的偏差值EN1第N一1次采样时刻输入的偏差值。数字PID控制分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，式3所示便是位置式PID算式。由式3可得控制器第N一1次的输出量UN1为（4）N1PIJDN12O1UKEEUN所示，增量式PID控制算式如下所示（5）N1PN1INDN1N2EKE在开关电源结构中，开关电源是通过修改PWM波占空比改变逆变桥中IGBT的通断时间从而控制输出电压的大小。当输出电压超过给定值时，减小PWM波占空比，减小IGBT开通时间，降低输出电压反之，当输出电压小于给定值时，则增加PWM波占空比，增加IGBT开通时间，使输出电压升高。可见，在控制器进行调节的时候所关心的是此次PWM波的占空比需要改变的量，即每次输出控制量的增量。因此，本系统使用增量式PID控制算法。如图2所示为开关电源系统中PID控制的原理图。PID调节PWM控制功率主电路测量环节偏差E基本量UE反馈量UF输入量UO图2BUCK电路PID控制原理图23仿真231BUCK电路的仿真根据系统建模就可建立起BUCK主电路的仿真模型，如图3所示，得到仿真的波形。本仿真模型主要由通断信号发生器、系统状态方程模块、系统输出三个模块组成,它们分别如图4、图5和图6所示。模块化建模的优点在于模型主要结构清晰,各模块之间相对独立,便于分析模型的特性,同时也便于对模型的修改可方便地加入各种控制器,实现对BUCK变换器的闭环控制。图3BUCK变换器的仿真模型图4通短信号发生器图5BUCK变换器的状态方程模块图6BUCK变换器的输出模块根据仿真波形及要求设计PID的参数得到闭环系统的仿真电路图如图7。图7仿真模型24控制系统软件设计241软件的整体结构控制软件主要包括一下几个部分采样出来环节；有采样值来计算输出脉宽，并根据此值调整输出的PWM脉冲宽度；CAN通讯来接受控制指令并发送输出的电流，电压值，温度，状态码等信息；中断服务程序；故障处理及保护功能程序。控制系统初始化程序和主程序图如图8所示。中断恢复返回程序入口程序入口系统初始化CAN初始化SCI初始化AD初始化启动控制程序开总中断初始化系统参数EVA初始化是否工作通讯控制过程改变控制或关机YNYN图8控制系统主程序流程图242数字PID控制简要设计PID控制是过程控制中广泛采用的一种控制规律。它的结构简单，参数易于调整，在长期的工程实践中，已积累了丰富的经验。随着计算机技术的发展，PID数字控制算法已能用于微机或单片机方便地实现。数字PID控制中断程序流程图如图9所示。中断服务程序入口从A/D接口输入的误差信号EKAD求出对应的D/A接口编码的U（K）DA计算