基于BUCK电路的滑模算法研究

发布时间：2017-12-13 19:12

  本文关键词：基于BUCK电路的滑模算法研究

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【摘要】：随着电力电子技术的飞速发展,电源的效率、体积和重量越来越受到人们的关注。相对一般电源而言,开关电源具有(SMPS)效率高、响应速度快、对参数退化鲁棒等优点。另一方面,数字控制器随着集成电路的发展,体积越来越小且可在现场可编程门阵列(FPGA)上实现。基于以上原因,数字控制模式的开关电源在过去十年中受到了广泛关注。本文以BUCK电路为研究对象,设计有效的PID控制算法和滑模变结构控制算法。本文的主要研究工作包括:首先,根据BUCK电路建立其数学模型;其次,分别研究BUCK开关变换器采用PID控制算法的控制器设计与参数选择和滑模变结构控制算法的控制器设计与参数选择,然后分析系统性能;再次,基于BUCK电路拓扑结构,设计电流观测器;然后,在PID控制和滑模变结构控制的基础上,设计高精度混合数字脉宽调制器;另外,利用AltiumDesigner软件绘制AD电路板和BUCK电路板;最后,搭建FPGA实验平台,基于实验平台对BUCK开关变换器的PID控制算法和滑模变结构控制算法硬件实现,分析并对比实验结果。本文主要内容如下:(1)介绍本课题研究背景及意义,提出课题研究方案,从课题研究方法和课题研究步骤两方面说明了研究此课题的可行性。(2)介绍BUCK电路的基本工作原理,分析BUCK电路开关导通和断开两种不同状态,利用基尔霍夫电压、电流定律对系统的状态进行状态空间建模和小信号建模。(3)在介绍PID控制算法的基础上,将PID控制算法应用到BUCK电路控制器设计中。针对其数学模型,利用PID控制理论,计算相应的控制器参数,设计合理的控制器。(4)在介绍滑模变结构控制算法的基础上,将滑模变结构控制算法应用到BUCK电路控制器设计中。针对其数学模型,利用滑模变结构控制理论,计算相应的控制器参数,设计合理的控制器。(5)设计并实现一种高精度混合延迟链型数字脉宽调制器(DPWM),利用快速计数比较器和延时单元,在FPGA开发板工作频率为128 MHz,BUCK电路开关管的工作频率为1 MHz的条件下,实现了 11位的DPWM,此时最小延时单元时间为0.488ns。(6)介绍AD电路板和BUCK电路板的设计原理。采用FPGA开发板XilinxXUPVirtex II Pro、AD电路板和BUCK电路板搭建实验平台,通过VHDL语言实现控制算法,验证PID控制算法和滑模变结构控制算法的有效性,同时将两种控制算法的结果对比分析,证明滑模变结构控制算法的优越性。仿真和硬件实验结果都证明:相对PID控制算法而言,滑模变结构控制算法在控制BUCK开关变换器时有一定的优越性,此优势有助于优化开关电源的性能,提高开关电源的效率。
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273;TN86

【参考文献】

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本文编号：1286256