开关变换器的数字控制研究

作     者：陈亚爱 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张卫平;刘伟力

授予年度：2009年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：开关变换器 数字控制技术 电容电荷平衡 Buck电路 

摘      要：开关变换器的控制技术是建立在模型之上的,由于开关调节系统是一个高阶-离散-非线性-时变的病态控制系统,要建立精确的解析模型很困难。传统的控制方法是建立在低频小信号分析上的、所采用的控制技术应用于大信号条件下的系统可能是不稳定的。目前,开关调节系统的非线性控制技术或先进的控制策略已成为研究热点之一,但这些优越的控制策略一般用模拟电路很难实现或根本无法实现。研究开关变换器的数字控制,无论在技术上还是在实际应用上都有十分重要的意义。论文以Buck变换器为例对开关调节系统的模拟控制和数字控制进行了深入分析和研究。 模拟控制是传统控制方式,论文以能量守恒为基本思想,用三端开关器件模型法,研究连续导电模式下非理想变换器的模型,建立了Buck变换器的小信号精确模型,用实验和仿真的方法验证了模型的正确性。在此基础上对电压控制和峰值电流控制型开关调节系统进行了仿真与实验研究,取得了有意义的研究成果。 开关变换器发展趋势是高频化、模块化、数字化、绿色化。因此,数字控制是高频功率开关变换器控制技术的发展方向,许多学者和研究者正致力于开关变换器的全数字控制的研究,其中开关变换器的控制策略是数字控制技术的核心。论文针对传统控制技术存在过冲和调节时间不能相互协调的问题,运用电容平衡原则推导了突增或突降负载时的控制算法,仿真和实验结果表明该控制算法能明显改善DC-DC变换器动态性能。 主电路和控制电路的硬件设计直接影响到开关变换器的运行性能。论文介绍了开关变换器数字控制系统的主电路、控制电路、采样调理电路、数字驱动电路、辅助电源等的硬件设计。研制了输出功率为60W的基于TMS320F2000系列DSP的开关调节数字控制实验样机,为以后研究先进的开关变换器数字控制策略提供了实验平台。基于该实验平台,介绍了用C语言对开关变换器的软启动、数字PI控制和电容电荷平衡控制进行软件设计的流程图以及完成的数字控制实验研究,并对各种实验数据进行了比较与分析,给出了相应的结论。