数字电流滞环控制的Boost DC-DC变换器

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近年来,随着电力电子技术的高速发展,以DC-DC变换器为核心的开关电源已经深入应用到电子产品领域。对于开关DC-DC变换器的控制,一般大多采用模拟脉冲宽度调节控制,由于变换器属于时变非线性系统与模拟控制相比较,数字控制器可以比较容易的实现复杂的非线性控制策略,从本质上改善变换器的控制性能。目前,DSP和MCU等数字控制器的硬件技术趋于成熟,使DC-DC开关变换器的数字化控制器实现成为可能,因此基于DC-DC开关变换器的非线性本质,研究各种非线性控制策略成为电力电子研究领域的一大热点。为了改善Boost DC-DC变换器的性能,本文提出了一种基于数字电流滞环控制方法,根据输入电压,输出电流和输出电压的采样信息及输出电压偏差反馈增益,计算出所需要的平均电感电流,并将电感电流控制在该平均电感电流的一个滞环宽度之内,当电感电流大于上阈值时PWM发生器产生低电平,当小于下阈值时PWM发生器产生高电平以此来决定对功率开关S的控制。详细分析了负载突变和启动过程中输出电压的动态响应,给出了参数选择和设计考虑。在Simulink环境下以一个具体的Boost变换器为例进行仿真实验,获得仿真数据和仿真波形。最后以ARM7-LPC2138作为控制平台,制作了一台数字电流滞环控制的Boost DC-DC变换器,并进行了实验研究,对输入电压突变和输出负载突变时,对输出电压的影响进行了实验验证,实验结果表明所提出的数字电流滞环控制方法是可行的、所进行的理论分析是正确的,该变换器的性能达到了设计指标。
摘要第2-3页
ABSTRACT第3页
1 绪论第7-12页
    1.1 选题背景及研究意义第7-9页
        1.1.1 开关电源技术的产生第7-8页
        1.1.2 数字控制开关电源的重要性及意义第8-9页
    1.2 国内外研究现状第9-10页
        1.2.1 DC-DC 变换器的发展现状第9页
        1.2.2 DC-DC 变换器的发展方向第9-10页
    1.3 本文研究的主要内容第10-12页
2 Boost DC-DC 变换器稳态分析第12-22页
    2.1 DC-DC 变换器概述第12页
    2.2 DC-DC 变换器的拓扑结构第12-14页
    2.3 Boost 变换器第14-21页
        2.3.1 Boost DC-DC 变换器的工作模式及基本关系式第14-18页
        2.3.2 Boost DC-DC 变换器的临界条件与临界电感第18-21页
    2.4 小结第21-22页
3 DC-DC 开关变换器的控制技术第22-34页
    3.1 传统控制技术第23-26页
        3.1.1 电压模式控制PWM(单环)第23-24页
        3.1.2 电流模式控制PWM(双环)第24-25页
        3.1.3 前馈控制第25-26页
    3.2 PWM 型DC-DC 变换器的数字控制技术第26-30页
        3.2.1 数字PID 控制第26-28页
        3.2.2 模糊控制第28-29页
        3.2.3 自适应控制第29-30页
    3.3 DC-DC 变换器数字控制的关键问题第30-33页
        3.3.1 数字式PWM 的频率与分辨率第30-31页
        3.3.2 量化误差第31-32页
        3.3.3 内在时间延时第32页
        3.3.4 A/D 采样的干扰第32页
        3.3.5 控制算法的选择第32-33页
    3.4 本章小结第33-34页
4 数字电流滞环控制的Boost DC-DC 变换器的设计与仿真第34-47页
    4.1 系统电路的理论设计第34-42页
        4.1.1 系统电路的基本组成第34-35页
        4.1.2 系统电路的基本控制原理第35-37页
        4.1.3 系统电路的稳态和动态分析第37-41页
        4.1.4 参数选择和设计考虑第41-42页
    4.2 系统电路的仿真第42-46页
        4.2.1 MATLAB/Simulink 的简介第42-43页
        4.2.2 主电路的仿真实验第43-44页
        4.2.3 仿真结果及其分析第44-46页
    4.3 本章小结第46-47页
5 硬件制作与测试第47-64页
    5.1 控制系统设计第47-51页
        5.1.1 控制器电路原理图第47-48页
        5.1.2 处理器芯片的选择第48-49页
        5.1.3 A/D 和D/A 转换器第49-50页
        5.1.4 电源电路第50页
        5.1.5 复位电路第50-51页
    5.2 主电路和控制电路设计第51-53页
        5.2.1 主电路设计第52页
        5.2.2 控制电路设计(PWM 产生电路)第52-53页
    5.3 检测电路设计第53-55页
    5.4 输入信号钳位电路设计第55-56页
    5.5 MOSFET 驱动电路设计第56-57页
    5.6 系统软件设计第57-60页
        5.6.1 ADS 1.2 简介第57-58页
        5.6.2 ADC 信号采集及DAC 输出第58-59页
        5.6.3 主程序流程图第59-60页
    5.7 实验结果及波形分析第60-63页
    5.8 本章小结第63-64页
6 结论第64-65页
致谢第65-66页
参考文献第66-68页
附录第68-70页
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