基于FPGA的Boost变换器建模与智能控制方法研究

摘要

作为研究开关电源的基础，DC/DC开关变换器的建模分析对开关电源的分析和设计具有重要意义。本文针对Boost变换器的建模分析进行了深入的研究，有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。本文在对DC/DC开关变换器建模方法分析的基础上，采用了一种基于状态空间的非理想基本变换器的电路建模方法。并以Boost变换器为例，针对电感电流连续和电感电流不连续两种状态进行建模。在建模工具方面，为满足不同要求，分别使用Matlab和Vissim建立相关模型；在建模方法方面，为满足高要求的时域频域分析，在状态空间模型的基础上推导Boost变换器的等效电路模型，进行小信号建模分析，另外，根据Takagi-Sugeno模糊理论分别建立了两种电感电流模式下Boost电路的T-S模糊模型。仿真结果证明了两种建模方法的正确性。在控制器设计方面，本文首先介绍了PID控制算法，详细阐述了其基本原理，常用的参数整定方法，并选取临界灵敏度方法设计了PI控制器，进行闭环仿真。在深入研究了Takagi-Sugeno模糊理论之后，对电感电流连续和断续两种模式下的Boost变换器分别设计了相应的控制器，仿真结果表明T-S模糊控制较PI相比，控制性能更好。在深入研究了Boost变换器的PI控制和T-s模糊控制方法的基础上，设计了一个Boost变换器闭环控制系统仿真实验平台。针对使用FPGA的控制电路进行了设计，分别介绍了使用VHDL(硬件描述语言)和SG(System Generator)的FPGA程序设计流程，最后应用VHDL和SG相结合设计了PI和T-S模糊控制器，并进行了仿真分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1 DC/DC变换器的概述及其控制方法的发展

1.1.2 FPGA的概述及其发展

1.2研究现状

1.2.1 DC/DC变换器的研究现状

1.2.3 FPGA的研究现状

1.2论文研究内容及结构安排

第二章Boost变换器建模及仿真

2.1概述

2.2基于Matlab的Boost变换器状态空间建模

2.2.1 CCM模式下Boost变换器状态空间建模

2.2.2.DCM模式下Boost变换器状态空间建模

2.3基于Vissim的Boost变换器的建模

2.3.1 CCM模式下状态空间建模

2.3.2 DCM模式下状态空间建模

2.4小信号建模法

2.5 T-S模糊建模和仿真研究

2.5.1 CCM模式下Boost变换器建模与仿真

2.5.2 DCM模式下Boost变换器建模与仿真

2.6本章小结

第三章基于线性控制方法设计Boost变换器控制器

3.1 PID控制理论

3.2 PID参数整定方法

3.2.1 Ziegler-Nichols设定方法

3.2.2临界灵敏度法

3.2.3基于幅值相位裕度(GPM)的方法

3.3 PI控制器的设计

3.3.1 Boost变换器的PI双闭环控制

3.3.2 Boost变换器的PI控制器建模及仿真

3.4本章小结

第四章 基于智能控制方法设计Boost变换器控制器

4.1 CCM模式下的T-S模糊控制器的设计

4.1.1参数确定Boost变换器的T-S模糊控制器的设计

4.1.2参数不确定Boost变换器的T-S模糊控制器的设计

4.1.3 Boost变换器的模糊控制器求解

4.1.4仿真研究

4.2 DCM模式下的T-S模糊控制器的设计

4.3本章小结

第五章Boost变换器控制器的硬件仿真

5.1系统总体结构

5.2控制电路设计

5.2.1 FPGA开发板简介

5.2.2 FPGA硬件设计流程

5.2.3 SG(System Generator)程序生成工具

5.3硬件控制仿真及波形分析

5.3.1 PI控制SG模型

5.3.2 T-S模糊控制SG模型

5.3.3外围程序编写

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1本文所作工作总结

6.2不足之处及未来展望

致谢

参考文献

附录