数字DC-DC开关变换器的建模与自适应控制研究

摘要

DC-DC开关变换器能够进行直流电能变换，以满足各种负载的供电要求，被广泛应用于信息、通信、能源等关键领域。随着工业和科技的发展，各种负载对DC-DC开关电源的功能和性能提出了越来越高的要求。与传统的模拟控制方法相比，数字控制不仅具有高灵活性、可编程性等特点，而且可以采用更先进的控制算法来提高开关变换器的性能。因此，由模拟控制转向数字控制将成为未来开关变换器的发展趋势。
　　本文以Buck开关变换器为例，分别对模拟和数字DC-DC开关变换器进行建模仿真与验证，并对数字自适应补偿控制方法进行研究和分析。具体工作包括:
　　系统分析DC-DC开关变换器在不同工作模式下的工作过程，建立其连续时间模型，并考虑电路寄生参数，对非理想Buck变换器进行建模分析。
　　建立数字DC-DC离散z域模型，分析离散化过程中采样、保持和量化等问题。采用自适应补偿控制方法，当负载发生变化时，通过自适应调整系统的补偿系数，提高系统稳定性，降低系统误差和延时，改善系统瞬态性能。
　　通过Matlab/Simulink平台，采用自适应补偿控制算法对数字DC-DC开关变换器模型进行系统仿真、优化，并对其进行稳态、负载扰动等分析。仿真结果表明，开关频率为100kHz到1MHz时，系统输出电压变化稳定在5V，瞬态响应时间为0.22ms，验证了所研究控制方法的正确性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 开关变换器发展与现状

1．3 本文研究内容

1．4 论文结构

第二章 DC-DC开关变换器基础

2．1 模拟DC-DC开关变换器的拓扑结构及其工作原理

2．1．1 变换器结构

2．1．2 变换器工作模式

2．2 DC-DC开关变换器基本调制模式

2．2．1 脉冲宽度调制(PWM)

2．2．2 脉冲频率调制(PFM)

2．2．3 脉冲跨周期调制(PSM)

2．3 开关变换器控制技术

2．3．1 电压控制型

2．3．2 电流控制型

2．4 非理想Buck变换器模型

2．4．1 非理想Buck变换器等效电路

2．4．2 大信号平均等效电路模型

2．4．3 直流等效电路

2．4．4 交流小信号等效电路

2．5 本章小结

第三章 数字DC-DC开关变换器建模

3．1 数字控制基础

3．1．1 采样和保持

3．1．2 量化过程

3．2 模数转换器(ADC)和数字脉宽调制(DPWM)

3．2．1 模数转换器(ADC)

3．2．2 数字脉冲宽度调节器(DPWM)

3．3 补偿器设计

3．3．1 PD补偿

3．3．2 PI补偿器

3．3．3 PID补偿器

3．4 数字Buck开关变换器的离散模型

3．5 系统仿真

3．6 本章小结

第四章 数字Buck开关变换器自适应控制的研究

4．1 自适应数字Buck变换器方案

4．2 自适应控制数字Buck变换器等效模型

4．3 自适应控制补偿器设计和参数调整

4．3．1 补偿器设计

4．3．2 控制算法及参数调整

4．4 系统仿真验证

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况