数字DC-DC开关电源中非线性控制器的设计

发布时间：2017-06-22 19:10

  本文关键词：数字DC-DC开关电源中非线性控制器的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数字电源具有体积小、易于集成、稳定性高、抗干扰能力强和控制方式灵活等优点,是近年来电源领域的研究热点。而控制器作为数字电源的关键模块,负责产生数字控制信号,其性能直接影响数字电源的稳定性和动态响应速度,因此研究高性能的控制器具有重要意义。本论文主要设计了一款用于提高数字电源动态响应速度的非线性控制器。首先,介绍了数字电源的基本工作原理,分析了Buck功率级、ADC和DPWM的传递函数。其次,使用增量式PID控制算法在离散域中进行了PID控制器的设计,使系统的相位裕度和截止频率等指标达到了系统动态响应速度和稳定性的要求;采用IIR滤波器直接II型结构完成了增量式PID控制器的结构设计,该结构可以节省延时单元也即节省电路面积;利用MATLAB模糊逻辑工具箱完成了模糊系统的设计,通过模糊系统对PID控制器的参数进行在线整定,以提高数字电源的瞬态响应速度和鲁棒性。最后,根据模糊系统输入量化因子及输入变量论域的取值,减小了控制查找表的大小,这样在不影响控制效果的同时可以节省硬件资源。本论文最终实现了模糊自适应PID控制器的HDL代码,并利用ModelSim和Simulink工具搭建了控制器数模混合仿真验证平台,验证结果是：当负载从15A阶跃到30A时,基于基本PID控制器的数字电源的瞬态响应时间为55μs,而基于模糊自适应PID控制器的数字电源的瞬态响应时间为151μs；稳态时输出电压纹波均为11.8mV,达到了设计指标要求。
【关键词】：数字电源 Buck变换器 瞬态响应 比例-积分-微分控制 模糊控制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 论文背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.3 研究内容与设计指标11-12
• 1.4 论文组织结构12-13
• 第二章 数字DC-DC开关电源的基本原理13-27
• 2.1 Buck功率级的基本原理13-22
• 2.1.1 连续导电模式(CCM)14-16
• 2.1.2 不连续导电模式(DCM)16-17
• 2.1.3 CCM与DCM工作模式的临界状态17-19
• 2.1.4 Buck功率级的传递函数19-22
• 2.2 模数转换器(ADC)22-25
• 2.3 数字脉宽调制器(DPWM)25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 非线性控制器的算法设计与仿真27-53
• 3.1 Buck功率级、ADC和DPWM的参数设计27-33
• 3.1.1 Buck功率级的参数设计27-30
• 3.1.2 模数转换器(ADC)的参数设计30-31
• 3.1.3 数字脉宽调制器(DPWM)的参数设计31-33
• 3.2 基本数字PID控制器的设计与仿真33-40
• 3.2.1 环路补偿前系统的z域模型33-36
• 3.2.2 基本数字PID控制器的设计36-39
• 3.2.3 基本数字PID控制器的仿真39-40
• 3.3 模糊自适应PID控制器的设计与仿真40-52
• 3.3.1 模糊控制的原理41-42
• 3.3.2 模糊自适应PID控制器的设计42-51
• 3.3.3 模糊自适应PID控制器的仿真51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 非线性控制器的电路设计与验证53-59
• 4.1 节省硬件资源的非线性控制器HDL代码实现53-55
• 4.2 非线性控制器的ModelSim与Simulink数模混合仿真55-57
• 4.3 数模混合仿真结果分析57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 5.1 总结59-60
• 5.2 展望60-61
• 致谢61-63
• 参考文献63-67
• 作者简介67

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