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车载辅助控制电源建模分析与研究

作　者: 曾毅
导　师: 余明扬
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 开关电源 DC-DC变换器电路平均法非理想器件仿真
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

开关电源的核心是开关变换器。开关变换器是一个带有闭环控制的高阶-离散-非线性-时变系统,不能直接应用经典控制理论分析和设计,这给开关调节系统的动态分析和设计带来了很大的困难。自20世纪80年代以来,开关变换器的建模一直是电力电子学研究的重要内容之一,并已取得了许多成果。在铁路行业,开关电源的使用越来越广泛,电力机车内控制电源已经朝开关电源转化。因此本文以机车辅助控制电源为对象对开关变换器的电路平均建模方法进行了重点的研究,有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。本文论述了电力机车DC11OV控制电源和辅助控制电源的结构,并对辅助控制电源中Buck型开关变换器的基本原理和结构组成进行讲解。在对开关变换器建模方法的现状进行研究后,重点介绍了电路平均建模法,其中包括三端PWM开关器件模型法、时间平均等效电路模型法、能量守恒平均法。基于上述三种模型,作者提出了一种非理想变换器在连续工作模式下的电路平均建模方法,该方法中既考虑了开关器件的各种寄生参数,又简化了模型。并以辅助控制电源中的Buck变换器为例,阐明新方法的建模思路与过程,得出了非理想Buck变换器的在连续工作模式下的大信号模型,并对该模型进行稳态和动态小信号特性分析。最后,文章介绍了车载辅助电源的Buck开关变换器在连续工作模式下的闭环控制系统的设计,对基于非理想Buck变换器进行了PID补偿网络拓扑设计,并进行了小信号特性的仿真研究,验证模型的正确性。在文章结尾处,对后续研究工作进行了展望,指出了本课题有待研究的内容和方向。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 引言  8-9
    1.1.1 问题的提出  8
    1.1.2 课题来源  8-9
  1.2 开关电源的研究现状与水平  9-11
  1.3 DC-DC开关变换器的建模技术  11-15
    1.3.1 状态空间平均法  12-14
    1.3.2 电路平均法  14-15
  1.4 本课题的研究内容  15-16
第二章车载辅助控制电源的结构与分析  16-23
  2.1 DC110V控制电源的基本构成  16-17
  2.2 辅助控制电源  17-18
  2.3 Buck变换器结构与工作原理  18-23
第三章 DC-DC变换器的电路平均法建模  23-36
  3.1 引言  23
  3.2 三端开关器件模型法  23-27
    3.2.1 三端PWM开关的平均电路模型  24-26
    3.2.2 三端PWM开关的小信号等效模型  26-27
  3.3 时间平均等效电路法  27-32
  3.4 能量守恒平均法  32-36
    3.4.1 Buck变换器的大信号模型  33-34
    3.4.2 稳态电路模型及小信号模型  34-36
第四章非理想Buck变换器的电路平均法建模  36-45
  4.1 引言  36
  4.2 非理想Buck变换器大信号模型  36-41
    4.2.1 非理想Buck变换器建模思路  36-37
    4.2.2 能量守恒原理在建模中的应用  37-39
    4.2.3 理想开关的处理及模型的简化  39-41
  4.3 直流电路模型及小信号模型  41-42
    4.3.1 直流电路模型  41
    4.3.2 小信号线性电路模型  41-42
  4.4 连续工作模式(CCM)传递函数  42-45
第五章 Buck变换器的仿真与实验分析  45-50
  5.1 Buck变换器的仿真分析  45-48
  5.2 实验分析  48-50
第六章非理想Buck变换器的闭环控制研究  50-61
  6.1 Buck开关变换器系统的工作原理  50-51
  6.2 Buck开关变换器控制电路设计  51-52
  6.3 非理想Buck变换器的闭环模型与设计  52-58
    6.3.1 控制电路建模  52-54
    6.3.2 系统建模  54-55
    6.3.3 控制系统频域设计  55-58
  6.4 仿真验证  58-61
第七章总结与展望  61-62
  7.1 结论  61
  7.2 展望  61-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
攻读硕士期间的主要研究成果  67

车载辅助控制电源建模分析与研究

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