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移相全桥ZVZCS变换器控制策略的研究

作　者: 陈国超
导　师: 张昆仑
学　校: 西南交通大学
专　业: 电磁悬浮与超导工程
关键词: 移相全桥ZVZCS变换器模糊控制 BP神经网络控制协同仿真数字化控制
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

DC/DC变换器作为电力电子电能变换技术的一个重要研究方向,越来越受到世界各国的重视。在中大功率直流应用场合,由于移相全桥ZVZCS变换器能够实现超前臂的零电压开关和滞后臂的零电流开关,减小功率损耗,从而发展成为中大功率DC/DC变换器的主流。为满足系统更高的性能要求,需要采用先进的控制策略。因此,开展针对移相全桥ZVZCS变换器控制策略的研究具有十分重要的意义。本文首先分析了移相全桥ZVZCS变换器的工作过程和电路特性,并在此基础上对主电路关键参数进行了设计,然后对主电路进行了仿真研究。仿真结果表明,所设计的主电路在给定驱动信号下能够较好地实现超前臂的零电压开关和滞后臂的零电流开关,主电路参数设计较合理。同时借鉴Buck变换器小信号建模方法,对移相全桥ZVZCS变换器建立了小信号模型,并推导了其在连续导电模式下的传递函数。为了将先进的控制策略引入到PID控制之中,对常规PID控制策略进行了研究。主要对常规PID控制理论进行了介绍,对电压模式控制系统和平均电流模式控制系统的基本原理进行了分析。利用Saber软件对电压模式单闭环控制系统以及平均电流模式双闭环控制系统进行了常规PID控制策略的闭环仿真研究。仿真结果表明,所设计的电压模式单闭环控制和平均电流模式双闭环控制都能实现移相全桥ZVZCS变换器的稳定输出,闭环设计较合理。为了提高控制性能,本文研究了模糊控制和BP神经网络控制两种智能控制策略,并分别设计了模糊自适应PID控制器和BP神经网络PID控制器。利用Saber软件和Simulink的协同仿真功能,实现了移相全桥ZVZCS变换器在模糊自适应PID控制器下的闭环仿真研究；利用Matlab软件的M文件编写了移相全桥ZVZCS变换器在BP神经网络PID控制器下的仿真程序,并分别与常规PID控制进行了详细的比较。仿真结果表明,采用本文所设计的模糊自适应PID控制器以及BP神经网络PID控制器,系统的超调量小、响应速度快、调节时间短,控制性能明显优于常规的PID控制器。同时对两种智能控制策略的优缺点进行了比较。最后,为了实现数字化控制,对三种控制策略下的数字控制器进行了软件结构设计。给出了基于TMS320F2812DSP的移相数字PWM控制信号产生方案和数字控制系统软件流程。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外相关技术的发展现状  12-16
    1.2.1 软开关技术的提出及实现策略  12-13
    1.2.2 DC/DC变换器控制策略概述  13-15
    1.2.3 数字控制技术的发展现状  15-16
  1.3 本文的主要研究内容  16-17
第2章移相全桥ZVZCS变换器原理分析  17-35
  2.1 工作过程分析  17-20
  2.2 电路特性分析  20-22
    2.2.1 实现超前臂开关管ZVS的条件  20-21
    2.2.2 实现滞后臂开关管ZCS的条件  21
    2.2.3 滞后臂开关管的电压应力  21
    2.2.4 死区时间的设置  21
    2.2.5 最大占空比的分析  21-22
  2.3 主电路关键参数设计  22-25
    2.3.1 变压器参数的设计  22-23
    2.3.2 超前臂开关管并联电容的设计  23
    2.3.3 谐振电感的设计  23-24
    2.3.4 阻断电容的设计  24
    2.3.5 输出整流滤波电路的设计  24-25
  2.4 主电路仿真分析  25-27
  2.5 小信号建模分析  27-34
    2.5.1 Buck变换器的小信号模型  27-29
    2.5.2 移相全桥ZVZCS变换器的小信号模型  29-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章移相全桥ZVZCS变换器常规控制策略的研究  35-47
  3.1 PID控制理论概述  35-36
  3.2 控制系统的原理分析  36-39
    3.2.1 电压模式控制系统的原理分析  36-37
    3.2.2 平均电流模式控制系统的原理分析  37-39
  3.3 控制系统的仿真分析  39-46
    3.3.1 移相全桥PWM信号产生电路  39-40
    3.3.2 电压模式单闭环控制系统的仿真分析  40-43
    3.3.3 平均电流模式双闭环控制系统的仿真分析  43-46
  3.4 本章小结  46-47
第4章移相全桥ZVZCS变换器智能控制策略的研究  47-69
  4.1 模糊自适应PID控制的研究  47-56
    4.1.1 模糊控制结构概述  47-48
    4.1.2 模糊自适应PID控制  48-49
    4.1.3 模糊自适应PID控制器的设计  49-51
    4.1.4 模糊自适应PID控制器的仿真分析  51-56
  4.2 BP神经网络控制的研究  56-67
    4.2.1 BP神经网络的基本原理  56-57
    4.2.2 BP神经网络的基本算法  57-59
    4.2.3 BP神经网络的改进算法  59-60
    4.2.4 BP神经网络参数的选择  60-62
    4.2.5 BP神经网络PID控制器的设计  62-64
    4.2.6 BP神经网络PID控制器的仿真分析  64-67
  4.3 两种智能控制策略的比较  67-68
  4.4 本章小结  68-69
第5章数字控制器软件结构设计  69-77
  5.1 数字控制系统的经典设计方法  69-70
    5.1.1 设计原理  69
    5.1.2 离散化方法  69-70
  5.2 移相数字PWM控制信号产生方案  70-72
  5.3 数字控制系统软件流程  72-76
    5.3.1 主程序  72
    5.3.2 控制算法调节子程序  72-76
    5.3.3 中断服务程序  76
  5.4 本章小结  76-77
结论  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84

移相全桥ZVZCS变换器控制策略的研究

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