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4KW Buck变换器的数字控制

作　者: 张峥
导　师: 张卫平
学　校: 北方工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: MH灯电子镇流器 Bluck变换器数字控制建模
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着经济的发展,ME(Metal Halide)灯以其光效高,寿命长,发光体积小,性能好,已成为近代照明的主流产品之一。然而,MH灯是一种具有非线性时变负阻特性的负载,它的控制及其复杂,这给研究带来很大的困难。工程中往往用三级开关电源拓扑结构实现,其中主要的控制依靠Buck变换器(DC/DC)来实现,但是对于其控制的研究却寥寥无几。另一方面,近年来数字信号处理技术的飞速发展促使电力电子学不断发展。单片机,ARM,DSP,FPGA开始应用于电机的驱动,电源的控制领域。这样不仅可以实现功率电源模块化、集成化,而且提高系统可靠性和保密性。基于这两方面的原因,本论文研究MH灯用Buck变换器的数字控制。本文的思路是以模拟控制分析为主线,建立模拟控制小信号模型。采用从模拟到数字的控制方法,对DSP的算法及其参数进行设计,并给出数字控制的小信号模型。用Pspice软件对闭环系统进行频域的仿真验证,通过DSP编程实现系统的稳定运行,进行了实验验证。本论文主要完成以下几个方面的工作：(1)参考大量国内外学术资料归纳和总结了MH灯的特性及其控制规律,给出MH灯用电子镇流器的拓扑结构化简模型和MH灯的电气模型。(2)建立主电路频谱关系,用数字信号处理的方法分析主电路的关键点波形,分析输出的噪声对于DSP系统的影响,以及滤出噪声的方法。(3)分析工业领域MH灯的控制方法,建立等效的小信号模型,推导出闭环的传递函数,分析稳定性。采用从模拟到数字的控制分析方法,为DSP控制系统控制系统建模,分析PI算法参数的选取,并且提出一种分析数字控制系统稳定性的方法。(4)在DSP编程中,量化误差不能忽略。利用数字信号处理的理论重新分析PI控制器,计算出双环系统下的输入的量化误差对于输出占空比的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
引言  9-10
1 MH灯特性及控制规律概述  10-19
  1.1 MH灯的特性  10-12
    1.1.1 MH灯的发光原理简述  10-11
    1.1.2 MH灯的电特性  11
    1.1.3 MH灯的优势及用途  11-12
  1.2 MH灯的控制规律  12-17
    1.2.1 MH灯用电子镇流器功率拓扑结构的化简  12-13
    1.2.2 MH灯的启动方式及电气模型  13-15
    1.2.3 电子镇流器的控制规律  15-16
    1.2.4 数字控制特点  16-17
  1.3 研究方案  17-18
  1.4 文章小结  18-19
2 Buck变换器主电路的频谱研究  19-32
  2.1 用傅里叶分析Buck变换器  19-22
    2.1.1 PAM等效模型的建立  19-20
    2.1.2 Buck变换器的傅里叶分析  20-22
  2.2 直流变压器模型  22-24
  2.3 交流小信号模型  24-28
    2.3.1 输入到输出的交流小信号模型建立  24-26
    2.3.2 控制到输出的交流小信号模型建立  26-28
  2.4 PAM理论在DCM模式下的不适应性  28-30
    2.4.1 工作于DCM模式下的直流变压器模型  29-30
  2.5 本章小结  30-32
3 MH灯用Buck变换器的模拟控制分析  32-50
  3.1 Buck变换器的模拟控制策略  32-33
  3.2 双环控制策略在工程中的实现  33-35
    3.2.1 2.5/4K电子镇流器系统控制特点  33-34
    3.2.2 双环控制等效电路图的分析  34-35
  3.3 双环控制的交流小信号和仿真  35-42
    3.3.1 电流内环的建模与仿真  35-39
    3.3.2 功率外环的建模与仿真  39-42
  3.4 用PI控制器的电流内环对系统产生的影响  42-49
    3.4.1 PI控制下的电流环设计  43-46
    3.4.2 PI控制下的电流环对功率环的影响  46-49
  3.5 本章小结  49-50
4 Buck变换器数字控制分析  50-64
  4.1 数字控制系统结构图  50-51
  4.2 数字控制中的相关问题  51-57
    4.2.1 PI数字控制算法  51-54
    4.2.2 双线性变换产生的问题  54-56
    4.2.3 DSP系统延迟的问题  56-57
  4.3 数字控制的建模与分析  57-62
    4.3.1 数字建模中的错误思想  57-58
    4.3.2 电流内环的数字控制建模  58-59
    4.3.3 功率外环的数字控制建模  59-61
    4.3.4 双线性变换解决系统的稳定性问题  61-62
  4.4 本章小结  62-64
5 量化误差分析与噪声分析  64-71
  5.1 量化误差分析  64-68
    5.1.1 输入信号的量化误差分析  64-65
    5.1.2 中间信号的量化误差分析  65-66
    5.1.3 输出信号的量化误差分析  66-68
  5.2 噪声分析  68-70
    5.2.1 输出信号的噪声来源  68-69
    5.2.2 Buck变换器输出信号的噪声分析  69-70
  5.3 本章小结  70-71
6 程序实现与测试结果  71-78
  6.1 DSP程序实现  71-75
    6.1.1 PI控制器的程序实现  71-72
    6.1.2 2.5kW与4kW输出功率的自动识别与双环控制程序实现  72
    6.1.3 灯的自然启动程序实现  72-74
    6.1.4 开槽程序设计  74-75
  6.2 DSP程序实验波形  75-78
结论  78-80
参考文献  80-82
附录A 镇流器系统设计仿真程序  82-84
附录B Pspice运算放大器模型与理想运算放大器之间的区别  84-86
在学研究成果  86-87
致谢  87

4KW Buck变换器的数字控制

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