本文關(guān)鍵詞：諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的設(shè)計(jì)及控制方法的研究

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【摘要】：隨著電力電子技術(shù)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(shí)產(chǎn)品的性能價(jià)格比也提高了。采用傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)技術(shù),開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而成正比地增加,令開(kāi)關(guān)的高頻化發(fā)展受到限制。針對(duì)傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)損耗大、效率低的弱點(diǎn),軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它利用以諧振為主的換流手段,有效地降低了開(kāi)關(guān)噪聲和開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題。隨著嵌入式的出現(xiàn)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日益成熟、完善,微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的性價(jià)比不斷提高,數(shù)字控制在功率變換器中得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于模擬控制,數(shù)字控制有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shí)現(xiàn)電源的智能化,同時(shí)也可以縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。本文研究的諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器,以STM32F407VGT6為核心控制器件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路,以模糊PID控制策略進(jìn)行控制,并通過(guò)軟件編程最終進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明這種控制策略具有很好的控制性能,算法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,同時(shí)控制模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,可靠性高。本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容及取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理及Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析；同時(shí)對(duì)DC-DC變換器的控制策略進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上對(duì)諧振軟開(kāi)關(guān)變換器的穩(wěn)壓控制進(jìn)行探索。(2)研究了諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的控制策略,重點(diǎn)研究了模糊控制理論與PID算法相結(jié)合的復(fù)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(guò)程及規(guī)律。常規(guī)的PID控制器的參數(shù)無(wú)法適應(yīng)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(dāng)參數(shù)變化范圍太大時(shí),系統(tǒng)性能會(huì)明顯變差。因此,結(jié)合常規(guī)PID控制,研究了一種模糊控制和PID相結(jié)合的復(fù)合控制算法,能夠?qū)崿F(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(jìn)行了仿真對(duì)比。通過(guò)仿真,驗(yàn)證了這種策略的可行性,提升了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。(3)給出了諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程,同時(shí)給出各模塊硬件電路原理圖及關(guān)鍵模塊參數(shù)的計(jì)算公式。(4)開(kāi)發(fā)完成了諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的軟件設(shè)計(jì),深入闡述了互補(bǔ)對(duì)稱的兩路PWM控制信號(hào)、模糊PID穩(wěn)壓控制及輸出采樣的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。(5)對(duì)諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的性能指標(biāo)進(jìn)行了上電測(cè)試。通過(guò)對(duì)研制的樣機(jī)電源在不同負(fù)載、輸入電壓突變兩種情形下的示波器測(cè)試波形分析,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)變換器的可靠性及穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：軟開(kāi)關(guān) 變換器 模糊 Buck PID
【學(xué)位授予單位】：廣西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(kāi)關(guān)及數(shù)字化控制的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析10-13
• 1.2.1 硬開(kāi)關(guān)技術(shù)10
• 1.2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)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(nèi)容13-15
• 第2章 諧振軟開(kāi)關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理15-16
• 2.1.3 Buck變換器的特征16
• 2.2 諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器工作原理16-18
• 2.2.1 基本諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)16-17
• 2.2.2 本文研究諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器的工作原理17-18
• 2.3 諧振軟開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)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(jié)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(yīng)用24-25
• 3.1.3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)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(jié)果分析30-32
• 3.3 本章小結(jié)32-33
• 第4章 諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器硬件電路設(shè)計(jì)33-40
• 4.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)原理33
• 4.2 功率主電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)34
• 4.2.4 諧振電容的設(shè)計(jì)34
• 4.2.5 諧振軟開(kāi)關(guān)Buck電路設(shè)計(jì)34-36
• 4.3 控制電路設(shè)計(jì)36-39
• 4.3.1 控制電路主控芯片STM32F407VGT6功能簡(jiǎn)介36-37
• 4.3.2 輸出電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)37
• 4.3.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)37-38
• 4.3.4 過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)38-39
• 4.4 輔助電源電路設(shè)計(jì)39
• 4.5 本章小結(jié)39-40
• 第5章 諧振軟開(kāi)關(guān)Buck變換器軟件設(shè)計(jì)40-48
• 5.1 STM32嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及功能介紹40-41
• 5.2 軟件總體框架設(shè)計(jì)41-43
• 5.3 電壓、電流A/D采樣及均值濾波模塊程序設(shè)計(jì)43
• 5.4 模糊PID穩(wěn)壓控制模塊程序設(shè)計(jì)43-46
• 5.5 PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊程序設(shè)計(jì)46-47
• 5.6 本章小結(jié)47-48
• 第6章 樣機(jī)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析48-53
• 6.1 主電路調(diào)試48-50
• 6.1.1 不同負(fù)載情形下輸出電壓信號(hào)調(diào)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(kāi)關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)波形調(diào)試及測(cè)試分析50-51
• 6.2.1 基于Keil軟件的MOS開(kāi)關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)波形仿真分析50-51
• 6.2.2 MOS開(kāi)關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)波形的示波器測(cè)試分析51
• 6.3 測(cè)試結(jié)果分析51
• 6.4 本章小結(jié)51-53
• 第7章 總結(jié)與展望53-54
• 7.1 總結(jié)53
• 7.2 展望53-54
• 參考文獻(xiàn)54-57
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果57-58
• 致謝58-59

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