Buck電路開題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕開題報(bào)告一、課題的目的及意義〔含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析或設(shè)計(jì)方案比擬、選型分析等〕1.選題背景及課題目的和意義自第三次工業(yè)革命以來，電力電子技術(shù)飛速開展，廣泛應(yīng)用于電力、電子、通信、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。其中，開關(guān)功率變換器作為一種根本的電力電子元件，國內(nèi)外對于其應(yīng)用和研究進(jìn)行了廣泛的探討。然而隨著電力工業(yè)開展，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，各種電子元件特別是微處理器對供電模塊的性能提出了極高的要求，傳統(tǒng)的控制方法越來越不適用于現(xiàn)代電力工業(yè)對負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，穩(wěn)態(tài)精度和傳輸效率的要求。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的不斷探索，開關(guān)功率變換器的控制技術(shù)有了脫胎換骨的變化，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的模擬調(diào)制向數(shù)字調(diào)制，從單一電壓調(diào)制向電壓、電流、電荷以及組合調(diào)制方式的轉(zhuǎn)變，有效的提高了變換器的動(dòng)態(tài)性能。本課題的目的在于綜合分析比擬現(xiàn)有調(diào)制方式，選擇合理的有現(xiàn)實(shí)意義的調(diào)制策略，對其進(jìn)行深入分析和研究，最終實(shí)現(xiàn)所選擇方式的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，為進(jìn)一步的研究提供根底，實(shí)現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域人才和技能的培養(yǎng)。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與選型分析按照開關(guān)變換器控制方式的開展歷程，經(jīng)歷了從模擬控制到數(shù)字控制，從單環(huán)控制到雙環(huán)控制，從線性控制到非線性控制，從單一控制量到組合控制的轉(zhuǎn)變，有效的提高了開關(guān)變換器的快速響應(yīng)能力，可以較好的滿足現(xiàn)代電力工業(yè)對復(fù)雜電力環(huán)境下調(diào)制的要求。模擬控制技術(shù)是最早應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域，不失為一種有效的控制手段，但隨著電子信息工業(yè)的開展和微型計(jì)算機(jī)的普及，基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制技術(shù)異軍突起，借助于信息工業(yè)的優(yōu)勢，稱為現(xiàn)代控制技術(shù)的主要開展方向。模擬控制技術(shù)是一種連續(xù)控制，通過事先計(jì)算好的電感電容參數(shù)組建電路，實(shí)現(xiàn)對輸出量的控制。經(jīng)過多年的開展，模擬控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，然而其依然存在難以克服的固有缺陷：①元器件比擬多，控制電路復(fù)雜，不易于小型化；②控制策略受到電路元件和電路結(jié)構(gòu)的局限，控制電路成型后很難修改；③由于模擬元件參數(shù)隨工作環(huán)境變化，導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度下降；④調(diào)試不方便，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制方案，靈活性較低。此外，還存在沒有內(nèi)置的限流功能保護(hù)電路器件，對輸入和輸出的瞬變響緩慢等缺點(diǎn)，但在早期應(yīng)用中不失為一種有效的控制方案。數(shù)字控制技術(shù)是一種離散控制，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量離散后輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不依賴于具體的電路元件。早期由于數(shù)字元件的本錢、性能等自身問題，未能大規(guī)模應(yīng)用于控制領(lǐng)域。近年來，隨著微機(jī)工業(yè)的進(jìn)步，數(shù)字控制技術(shù)也迎來了快速開展。相較于模擬控制技術(shù)，數(shù)字控制技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)計(jì)簡便，易于靈活調(diào)整控制策略而不需要更改硬件電路；②易于與其余數(shù)字設(shè)備對接；③易于實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜而精確的控制算法。缺點(diǎn)在于一是采樣精度過高時(shí)會(huì)對硬件系統(tǒng)帶來很大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，二是當(dāng)PWM控制頻率過高時(shí)對計(jì)算機(jī)性能帶來挑戰(zhàn)?？傮w來說，數(shù)字控制技術(shù)優(yōu)勢明顯，是開關(guān)變換器控制技術(shù)的開展趨勢。不管是模擬控制技術(shù)還是數(shù)字控制技術(shù)，其根本控制原理都是用采集量控制輸出量，所不同的是信號在電路中的表現(xiàn)形式；相對而言，數(shù)字控制技術(shù)更加直觀，程序更易理解、修改，因而成為現(xiàn)代主流的研究方向。2.1電壓型控制方式電壓型控制是一種單環(huán)控制方式，多應(yīng)用于早期的控制環(huán)節(jié)，至今其應(yīng)用范圍依然很廣泛。電壓型控制是利用采樣輸出電壓作為單環(huán)控制的輸入信號，將該信號與參考電壓比擬的差值經(jīng)過誤差放大器補(bǔ)償后生成控制電壓。控制電壓與鋸齒波進(jìn)行比擬，生成脈沖寬度與控制電壓成正比的脈沖信號，該信號再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。電壓型控制的優(yōu)點(diǎn)：獨(dú)立的一個(gè)電壓控制環(huán)路，屬于單環(huán)閉環(huán)負(fù)反應(yīng)控制，設(shè)計(jì)和分析相比照擬簡單，電路易于實(shí)現(xiàn)且由于鋸齒波的幅值比擬大，抗干擾能力比擬強(qiáng)。電壓型控制的缺點(diǎn)：輸入電壓或輸出電流變化后，因?yàn)椴蓸有盘枮檩敵鲭妷海挥性谳敵鲭妷焊淖儠r(shí)才能檢測出變化，并反應(yīng)回來進(jìn)行糾正，因此響應(yīng)速度比擬慢。此外，由于電壓型控制對過電流沒有限制，因而需要額外的電路來限制過電流的危害。經(jīng)過多年成熟的開展，電壓型控制技術(shù)應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域，但因其響應(yīng)的快速性和響應(yīng)精度越來越難以到達(dá)現(xiàn)代電力負(fù)載快速變化的要求，速度較慢，越來越不適用于現(xiàn)代電力電子工業(yè)場合，現(xiàn)有新投入使用的設(shè)備使用較少，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)意義較小。2.2電流型控制方式電流型控制方式是當(dāng)前研究最廣泛，最深入的一種開關(guān)變換器控制方式，其能適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜多變的電力網(wǎng)絡(luò)對變換器的需求，因而是當(dāng)代使用較為廣泛的一種變換器。電流控制屬于雙環(huán)控制，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)，且易于實(shí)施過電流保護(hù)，從而有效的保護(hù)電路元件。根據(jù)不同的調(diào)制策略，電流型調(diào)制可以細(xì)分為：峰值電流控制、谷值電流控制和平均電流控制。1978年，國外學(xué)者提出了峰值電流控制技術(shù)，該技術(shù)采用電感電流代替電壓型控制的鋸齒波作為比擬器的一個(gè)輸入信號。峰值電流控制同時(shí)引入輸出電壓(電容電壓)和電感電流兩個(gè)狀態(tài)變量作為反應(yīng)控制變量，提高了開關(guān)變換器的性能。峰值電流控制工作原理為：在每一個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號使觸發(fā)器置位，開關(guān)控制信號高電平，使開關(guān)導(dǎo)通，電感電流由初始值線性增大，檢測電阻上的電壓也線性增大，當(dāng)該電壓增大到控制電壓時(shí)，比擬器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器復(fù)位，控制信號為低電平，開關(guān)關(guān)斷，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來，開始一個(gè)新的開關(guān)周期。控制電壓由檢測的輸出電壓與參考電壓的差值經(jīng)誤差放大器后生成。峰值電流控制除了可以采用電感電流作為內(nèi)環(huán)控制外，還可以采用開關(guān)電流。峰值電流技術(shù)與傳統(tǒng)電壓控制相比，通過控制電流峰值的大小來有效的防止了過電流的危害，同時(shí)提高了變換器的響應(yīng)速度，提高了輸出穩(wěn)態(tài)精度，最重要的是其限流功能對變換器實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)。與峰值電流控制技術(shù)對應(yīng)，谷值電流控制的控制量是電流谷值，從而能夠取得較低的控制電壓，容易在CPU允許的工作環(huán)境下進(jìn)行控制。谷值電流控制的原理為：在每一個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號使觸發(fā)器復(fù)位，開關(guān)控制信號低電平，使開關(guān)關(guān)斷，電感電流由初始值線性減小，檢測電阻上的電壓也線性下降，當(dāng)該電壓減小到控制電壓時(shí)，比擬器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器置位，控制信號為高電平，開關(guān)導(dǎo)通，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來，開始一個(gè)新的開關(guān)周期?？刂齐妷河蓹z測的輸出電壓與參考電壓的差值經(jīng)誤差放大器后生成。峰值電流控制除了可以采用電感電流作為內(nèi)環(huán)控制外，還可以采用二極管電流。通過上文的表達(dá)可知，峰值電流控制和谷值電流控制存在對稱性，均為利用電感電流的最值進(jìn)行控制，對控制側(cè)電流值擁有良好的控制能力。進(jìn)一步分析可知，峰值電流控制和谷值電流控制存在對偶關(guān)系，兩者可以相互類比，更加容易理解二者的控制方式。峰值電流技術(shù)和谷值電流技術(shù)均對一側(cè)電流擁有較好的控制能力，但對全過程控制能力有限，有其在特定占空比下易產(chǎn)生次諧波振蕩。峰值電流控制的原理為：檢測電阻上的電壓與誤差電壓相減后，經(jīng)積分器得到信號，再與鋸齒波比擬得到控制信號控制開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷。平均電流控制的優(yōu)點(diǎn)在于：通過積分器減小控制信號波動(dòng)，使電感電流峰值值能夠有效跟蹤設(shè)定值；利用積分器獲得優(yōu)越的噪聲抑制能力。缺點(diǎn)在于：電流積分器的增益有限制，雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，積分作用使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力變慢。在峰值電流控制中，如何計(jì)算第n個(gè)周期的峰值電流關(guān)鍵，如果選擇的計(jì)算點(diǎn)太少，會(huì)影響計(jì)算精度，產(chǎn)生較大的誤差；如果選擇的計(jì)算的過多，那么又會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算速度。功率變換器還存在其余更加復(fù)雜的控制方式，利如利用每個(gè)周期輸入電荷總量的電荷型控制，控制二極管電壓的磁通型控制，利用電壓雙環(huán)反應(yīng)的控制，以及雙電壓環(huán)加電流環(huán)的控制等。經(jīng)過分析與比擬，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用基于四點(diǎn)均值法的數(shù)字控制平均電流調(diào)制策略，并進(jìn)行仿真分析，最后爭取在實(shí)際電路模型中實(shí)現(xiàn)。二、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑1.課題任務(wù)課題任務(wù)主要包括如下三方面：〔1〕綜合運(yùn)用《自動(dòng)控制理論》《電力電子技術(shù)》《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》《數(shù)字控制技術(shù)》等主干課程知識(shí)，理解峰值電流調(diào)制策略的原理與實(shí)現(xiàn)路徑，在仿真平臺(tái)上搭建仿真電路，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)制的仿真實(shí)現(xiàn)；〔2〕學(xué)習(xí)DSP編程方法，學(xué)會(huì)利用DSP實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的程序；〔3〕搭建實(shí)驗(yàn)電路，在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)峰值電流控制方法。2.重點(diǎn)研究內(nèi)容重點(diǎn)研究內(nèi)容如下：〔1〕峰值電流控制的根本原理、控制過程；〔2〕仿真平臺(tái)軟件的使用與調(diào)制，仿真模型的搭建；〔3〕DSP編程學(xué)習(xí)，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)峰值電流控制；〔4〕物理電路的搭建與實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)峰值電流控制方法。3、進(jìn)度方案序號起止周次工作內(nèi)容11周至2周完成譯文和開題報(bào)告23周至4周所提峰值電流調(diào)制思想及其仿真實(shí)現(xiàn)35周至8周DSP-28335開發(fā)板的編程與控制學(xué)習(xí)49周至13周基于DPS實(shí)現(xiàn)所提峰值電流調(diào)制buck變換器513周至14周論文修改定稿615周至16周辯論資料準(zhǔn)備，辯論學(xué)生簽名：2015年4月4、指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師簽名：2015年4參考文獻(xiàn)：[1]王鳳巖.快速瞬態(tài)響應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器控制方法的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.WangFengyan.Studyonthecontroltechniqueofvoltageregulatorwithfasttransientresponse[D].Chengdu:Southwest[2]MammanoR．Switchingpowersupplytopology:voltagemodevs.currentmode[M].UnitrodeDesignNoteDN-62,1994.[3]DixonL.Averagecurrentmodecontrolofswitchingpowersupplies[M].UnitrodeApplicationNoteU140，1990.[4]RedlR，SokalNO.Current-modecontrol,fivedifferenttypes,usedwiththethreebasicclassesofpowerconverters:small-signalACandlarge-signalDCcharacterization,stabilityrequirements,andimplementationofpracticalcircuits[C]IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference.Toulouse，F(xiàn)rance：IEEE，1985：771-785.[5]周國華．基于紋波的開關(guān)功率變換器控制技術(shù)及其動(dòng)力學(xué)行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2023.ZhouGuohua.Ripple-basedcontroltechniquea