本文關鍵詞：諧振軟開關Buck變換器的設計及控制方法的研究

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【摘要】：隨著電力電子技術高頻化的發(fā)展,使得功率變換器的重量更輕,體積更小,同時產品的性能價格比也提高了。采用傳統(tǒng)的硬開關技術,開關損耗會隨著開關頻率的提高而成正比地增加,令開關的高頻化發(fā)展受到限制。針對傳統(tǒng)硬開關損耗大、效率低的弱點,軟開關技術應運而生,它利用以諧振為主的換流手段,有效地降低了開關噪聲和開關損耗問題。隨著嵌入式的出現(xiàn)以及數(shù)字信號處理技術的日益成熟、完善,微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器的性價比不斷提高,數(shù)字控制在功率變換器中得到廣泛應用。相對于模擬控制,數(shù)字控制有許多優(yōu)點。數(shù)字控制可以實現(xiàn)復雜的控制策略,具有更高的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性,并易于實現(xiàn)電源的智能化,同時也可以縮短新產品的開發(fā)周期。本文研究的諧振軟開關Buck變換器,以STM32F407VGT6為核心控制器件設計了系統(tǒng)硬件電路,以模糊PID控制策略進行控制,并通過軟件編程最終進行了實現(xiàn)。試驗結果表明這種控制策略具有很好的控制性能,算法實現(xiàn)比較簡單,同時控制模塊設計簡單,可靠性高。本文研究的重點內容及取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)對開關電源的基本工作原理及Buck拓撲結構工作原理進行了詳細的分析；同時對DC-DC變換器的控制策略進行了研究,在此基礎上對諧振軟開關變換器的穩(wěn)壓控制進行探索。(2)研究了諧振軟開關Buck變換器的控制策略,重點研究了模糊控制理論與PID算法相結合的復合控制方法。首先介紹了常規(guī)PID控制理論及模擬PID、數(shù)字PID控制系統(tǒng),并給出了PID參數(shù)整定過程及規(guī)律。常規(guī)的PID控制器的參數(shù)無法適應參數(shù)變化、干擾眾多的控制系統(tǒng),顯然難以獲得滿意的控制效果。甚至當參數(shù)變化范圍太大時,系統(tǒng)性能會明顯變差。因此,結合常規(guī)PID控制,研究了一種模糊控制和PID相結合的復合控制算法,能夠實現(xiàn)較好的效果；還將本文研究的控制算法與常規(guī)PID控制方法進行了仿真對比。通過仿真,驗證了這種策略的可行性,提升了系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。(3)給出了諧振軟開關Buck變換器的硬件設計過程,同時給出各模塊硬件電路原理圖及關鍵模塊參數(shù)的計算公式。(4)開發(fā)完成了諧振軟開關Buck變換器的軟件設計,深入闡述了互補對稱的兩路PWM控制信號、模糊PID穩(wěn)壓控制及輸出采樣的軟件實現(xiàn)過程。(5)對諧振軟開關Buck變換器的性能指標進行了上電測試。通過對研制的樣機電源在不同負載、輸入電壓突變兩種情形下的示波器測試波形分析,驗證了本文所設計變換器的可靠性及穩(wěn)定性。
【關鍵詞】：軟開關 變換器 模糊 Buck PID
【學位授予單位】：廣西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM46
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-15
• 1.1 選題的背景與意義9-10
• 1.1.1 選題的背景9
• 1.1.2 選題的意義9-10
• 1.2 軟開關及數(shù)字化控制的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析10-13
• 1.2.1 硬開關技術10
• 1.2.2 軟開關技術的提出與發(fā)展10-12
• 1.2.3 數(shù)字化控制的研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.4 STM32微控制器的發(fā)展13
• 1.3 課題研究的主要內容13-15
• 第2章 諧振軟開關Buck變換器及數(shù)字化控制的基本概況15-21
• 2.1 Buck電路基本原理15-16
• 2.1.1 基本的Buck變換器15
• 2.1.2 拓撲結構與工作原理15-16
• 2.1.3 Buck變換器的特征16
• 2.2 諧振軟開關Buck變換器工作原理16-18
• 2.2.1 基本諧振軟開關Buck變換器的拓撲結構16-17
• 2.2.2 本文研究諧振軟開關Buck變換器的工作原理17-18
• 2.3 諧振軟開關變換器的控制方法18
• 2.4 DC-DC變換器數(shù)字控制的主要因素18-20
• 2.4.1 A/D轉換分辨率18-19
• 2.4.2 PWM延遲19-20
• 2.4.3 合適的算法20
• 2.4.4 采樣精度20
• 2.5 本章小結20-21
• 第3章 模糊PID控制策略及建模仿真研究21-33
• 3.1 常規(guī)PID算法與模糊PID算法21-27
• 3.1.1 常規(guī)PID控制理論及控制系統(tǒng)21-24
• 3.1.2 模糊控制理論在PID控制中的應用24-25
• 3.1.3 模糊PID控制器的設計25-27
• 3.2 本文所研究變換器及控制系統(tǒng)建模與仿真研究27-32
• 3.2.1 基于Matlab/Simulink的數(shù)字化電源系統(tǒng)模型建立27-30
• 3.2.2 模型仿真結果分析30-32
• 3.3 本章小結32-33
• 第4章 諧振軟開關Buck變換器硬件電路設計33-40
• 4.1 硬件電路總體設計原理33
• 4.2 功率主電路設計33-36
• 4.2.1 MOS管的選取33-34
• 4.2.2 功率二極管的選取34
• 4.2.3 諧振電感的設計34
• 4.2.4 諧振電容的設計34
• 4.2.5 諧振軟開關Buck電路設計34-36
• 4.3 控制電路設計36-39
• 4.3.1 控制電路主控芯片STM32F407VGT6功能簡介36-37
• 4.3.2 輸出電壓、電流采樣電路設計37
• 4.3.3 MOSFET驅動電路設計37-38
• 4.3.4 過壓、過流保護電路設計38-39
• 4.4 輔助電源電路設計39
• 4.5 本章小結39-40
• 第5章 諧振軟開關Buck變換器軟件設計40-48
• 5.1 STM32嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境及功能介紹40-41
• 5.2 軟件總體框架設計41-43
• 5.3 電壓、電流A/D采樣及均值濾波模塊程序設計43
• 5.4 模糊PID穩(wěn)壓控制模塊程序設計43-46
• 5.5 PWM信號產生模塊程序設計46-47
• 5.6 本章小結47-48
• 第6章 樣機調試及測試結果分析48-53
• 6.1 主電路調試48-50
• 6.1.1 不同負載情形下輸出電壓信號調試及分析48-49
• 6.1.2 輸入電壓突變情形下輸出電壓的波形分析49
• 6.1.3 輸出電壓紋波分析49-50
• 6.2 MOS開關管PWM驅動波形調試及測試分析50-51
• 6.2.1 基于Keil軟件的MOS開關管PWM驅動波形仿真分析50-51
• 6.2.2 MOS開關管PWM驅動波形的示波器測試分析51
• 6.3 測試結果分析51
• 6.4 本章小結51-53
• 第7章 總結與展望53-54
• 7.1 總結53
• 7.2 展望53-54
• 參考文獻54-57
• 攻讀學位期間取得的研究成果57-58
• 致謝58-59

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