激振器用PWM型开关功率放大器的研究

摘要

激振器是研究材料结构动态性能特性（频率、谐振频率、振幅）的重要仪器之一。功率放大器是将给定的信号经功率放大器放大后驱动激振器，作为激振系统的重要组成部分，功率放大器性能指标的高低标志着激振器系统的好与坏。随着人们对激振设备精度、扩展性、控制方式等要求的提高，传统线性功放和模拟控制已经难以满足需求，数字化控制已然成为一种趋势。
　　本文首先介绍了功率放大器的分类并对各类放大器进行了性能对比，分析了开关功率放大器应用于激振器的可行性，对单周期控制应用于开关功率放大器进行了理论分析并建立了基于单周期控制的控制模型，针对单周期控制开关功率放大器作为模拟控制存在的固有缺陷，给出了偏置补偿方案并用仿真试验进行了验证;在此基础上对单周期控制数字化的实现方式进行了研究和探讨，并根据激振器的应用需求设计了一款基于微处理芯片的开关功率放大器:以DSP28069芯片为平台，以数字单周期算法为核心，结合数字PI控制的数字开关功率放大器，用以提高对激振器控制的精度和驱动能力。该系统分为软件和硬件两部分，硬件包括电源电路设计、硬件选型、硬件保护、隔离驱动电路设计、检测和调理电路的设计等;软件包括数字PI算法程序、数字单周期算法程序、A/D采样程序等，实现了单周期控制的数字化。
　　论文最后利用MATLAB/Simulink进行了建模仿真，包括对直流偏置问题补偿方案验证、功率放大器输出性能分析以及谐波畸变量分析，仿真结果证明了基于PWM控制开关功率放大器应用于激振器的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与课题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 激振器发展历程

1．2．2 数字化发展历程

1．3 研究的目的和意义

1．4 本文工作内容和安排

1．5 本章小结

2 功率放大器

2．1 功率放大器概述

2．2 线性功率放大器

2．2．1 A类功放

2．2．2 B类功放

2．2．3 AB类功放

2．3 开关功率放大器

2．3．1 开关功放概述

2．3．2 PWM调制原理

2．3．3 三电平PWM调制原理

2．4 开关功放的控制方式

2．4．1 自然采样PWM

2．4．2 滑模控制技术

2．5 激振器功放性能指标

2．5．1 输出电流纹波与系统失真度

2．5．2 响应速度

2．6 本章小结

3 基于单周期控制的开关功率放大器

3．1 单周期控制技术概述

3．1．1 单周控制原理

3．1．2 单周期控制方程

3．2 单周期控制的功率放大器

3．2．1 控制结构

3．2．2 工作原理

3．2．3 控制方程

3．2．4 直流偏置分析

3．2．5 直流偏置补偿

3．3 本章小结

4 开关功率放大器硬件设计

4．1 指标和设计方案

4．1．1 设计指标

4．1．2 系统结构

4．2 电源电路

4．3 硬件选型

4．3．1 控制器选择

4．3．2 功率管的选型

4．4 驱动电路

4．4．1 MOSFET驱动电路设计

4．4．2 检测与调理电路

4．5 键盘-显示电路

4．6 保护电路

4．6．1 片内ADC模块输入保护电路

4．6．2 过流保护电路

4．6．3 ADC基准电源

4．6．4 D／A转换电路

4．7 低通滤波电路

4．8 本章小结

5 基于单周控制功率放大器数字控制的实现

5．1 数字开关功放工作原理

5．2 PI调节

5．2．1 数字PI

5．2．2 单周期控制结合数字PI

5．3 功率放大器数字单周控制实现方法研究

5．3．1 数字单周控制方程

5．3．2 单周期数字化实现方式

5．4 软件设计

5．4．1 程序流程

5．4．2 资源分配

5．4．3 主程序流程图

5．4．4 A／D采样

5．4．5 PI和单周期控制算法程序

5．5 本章小结

6 仿真与验证

6．1 系统仿真建模

6．1．1 主系统模块

6．1．2 Pl调节模块

6．1．3 单周期控制PWM输出模块

6．1．4 功率变换模块

6．2 仿真结果分析

6．2．1 控制系统分析

6．2．2 谐波分析

6．2．3 偏置补偿仿真分析

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介