基于模糊PID控制的数字开关电源研究与设计

摘要

传统开关电源通常采用模拟设计解决方案，模拟方案发展成熟、流程清晰、具有较高的可靠性，在成本、响应时间、占板面积方面尚有优势。随着电子设计数字化的发展，设计人员不仅要求能够实时监控系统运行状态，还在灵活设置电源参数，诊断电源故障，快速完成设计方面提出了更好的要求。数字化设计加快了开关电源的控制部分的设计，使研发平台得以重复利用，修改代码即可完成控制算法的升级，因而电源设计数字化成为开关电源设计的热点之一。
　　本文首先分析了桥式拓扑的工作原理，比较了桥式拓扑和正激反激、推挽输出的差异，全桥拓扑和半桥拓扑的差异和适用场合。给出了桥式拓扑中电容电感选择的原则。
　　本文采用PID控制对采样电压操作，PID控制作为工业上成熟的闭环控制方式，广泛应用在能源、制造、医疗等方面。介绍了两种PID算法的推导过程，比较了二者的优缺点。设计了完整的模糊逻辑体系整定PID控制的三个参数。在Simulink中建立了外围拓扑模型，PID控制模型，模糊逻辑模型和PWM波产生模型。将各模块连接起来，运行模型，分析仿真结果，为系统的硬件实现提供了指导和支持。
　　根据模型运行的情况，完成硬件实现，FPGA芯片使用XILINX公司Vertex-Ⅱ系列的XC4VSX35。在XINLINX ISE中编写verilog代码，实现PID控制模块和DPWM波生成模块，并编写了模数转换（ADC）芯片控制模块，完成了仿真。并把FPGA开发板与电源外围拓扑的PCB板连接调试，验证了模糊PID控制的可行性。本文给出了各模块硬件实现的综合后电路图和仿真波形图。

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第一章 绪论

1.1数字电源发展前景

1.2模拟开关电源的优势与不足

1.3数字开关电源的优势与不足

1.4数字开关电源实现方案与发展

1.5 论文的主要工作

第二章 桥式转换器拓扑与设计

2.1半桥变换器拓扑

2.2 全桥变换器拓扑

2.3 半桥拓扑驱动电路设计要求

第三章 模糊PID控制器的设计

3.1常规PID控制

3.2 模糊逻辑在PID控制中的应用

第四章 系统建模与分析

4.1基于Simulink的系统建模

4.2模型仿真与分析

第五章 基于FPGA的硬件实现

5.1 AD转换电路

5.2 模糊PID算法的FPGA实现

5.3 DPWM产生模块设计

5.4 实验平台搭建与测试

第六章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果