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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 基于数字控制的移相全桥变换器稳定性分析与自我诊断 姓名：李红 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：陈新 20080201 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 稳定是控制系统的重要性能，也是系统能够正常运行的首要条件。控制系 统的闭环稳定性一直是系统分析和设计所需要解决的首要问题。随着数字控制 技术的发展，数字电源系统的广泛应用，数字控制系统的闭环稳定性问题逐渐 引起人们的关注。因此，本文从数字控制的特殊性出发，对数字电源系统稳定 性展开研究。 本文以基于 DSP 的移相全桥 DC/DC 变换器为例， 首先按照数字电源系统的 设计流程，详细给出了
2、硬件和软件两部分的设计步骤，并利用 Matlab 设计工具 完成了数字闭环控制参数的选取；由于零阶保持器和一拍延时的存在，数字控 制电源系统稳定性与传统的模拟系统不同，本文在分析数字延时对稳定性的不 良影响后，对数字 PI 控制方案中，比例与积分参数对数字电源稳定性能的影响 进行了研究，并且通过实验对理论分析的结果进行了验证；传统的稳定性测试 需要借助网络测试仪来实现，为了体现出数字控制电源的优势，充分利用 DSP 资源，本文将虚拟仪器的思想运用到数字电源稳定性分析中，研究了数字电源 稳定性自我诊断的实现， 以 Freescale 公司的通用型数字信号处理器为控制核心， 设计了一套数字电源稳定
3、性自我检测分析的方案，DSP 在控制变换器功率变换 的同时，完成变换器稳定性的自我检测。 关键词：关键词：数字信号处理，稳定性，移相全桥，数字 PI 控制，自我诊断 基于数字控制的移相全桥变换器稳定性分析与自我诊断 ii ABSTRACT Stability is an important performance for control systems, it is also the most important condition for normal operation. The major consideration in design systems is the stability
4、of its closed-loop control. With the development of digital control technology and the widely use of digital power systems, the stability of digital closed-loop control system is gaining more and more attention. Therefore, this thesis studies the stability of digital power system according to the di
5、gital control special characteristics. A phase-shifted full-bridge DC/DC converter based on DSP is taken as an example. The design of hardware and software is given in detail, and the selection of control parameters is introduced through Matlab design tools. Because of the zero-order holder and dela
6、y-time effect, the stability of digital control system is different compared to the traditional analog ones. The effect of control delay is discussed, and the proportional and integral parameters influence is studied in this thesis. Furthermore, the related experiment is presented to prove the corre
7、ctness of theoretical analysis. Traditionally, stability testing needs the help of the network analyzer. In order to make good use of digital control resource, this thesis introduces a design scheme of stability self-diagnosis inspired from the idea of “Virtual Instrument”, based on Freescales DSP,
8、an digital stability self-diagnosis solution are designed in detail . Keywords: DSP, Stability, Phase-shifted full-bridge converter, Digital PI control, self-diagnosis 基于数字控制的移相全桥变换器稳定性分析与自我诊断 vi 图目录 图 2.1 基于 DSP 的移相全桥电路结构图. 7 图 2.2 输出电压采样电路. 13 图 2.3 驱动电路. 13 图 2.4 理想 Buck 变换器. 14 图 2.5 理想 Buck 变换器
9、的两种工作状态. 15 图 2.6 Buck 的低频小信号等效电路图. 15 图 2.7 移相全桥零电压 PWM 变换器电压电流理论分析波形. 16 图 2.8 移相全桥变换器小信号等效电路模型. 17 图 2.9 变换器闭环回路系统框图. 18 图 2.10 电阻分压反馈. 19 图 2.11 系统的开环伯德图. 20 图 2.12 补偿前后变换器开环回路零极点分布和伯德图. 21 图 2.13 补偿环节伯德图. 21 图 2.14 加入 PI 控制之后开环伯德图. 22 图 2.15 DSP 及外围电路系统架构. 24 图 2.16 变换器中各开关管的驱动波形. 25 图 2.17 PWM
10、 输出移相控制的实现. 26 图 2.18 数字控制算法系统结构图. 26 图 2.19 额定输入，满载输出情况下的实验波形. 27 图 2.20 稳态实验波形. 28 图 3.1 系统框图. 30 图 3.2 相角裕度和幅值裕度示意图. 30 图 3.3 一拍延时示意图. 32 图 3.4 零阶保持器的外推图. 33 图 3.5 数字控制变换器闭环回路系统框图. 33 图 3.6 数字控制移相全桥变换器开环伯德图. 34 图 3.7 P 参数变化对稳定性的影响示意图(1). 36 图 3.8 P 参数变化对稳定性的影响示意图(2). 36 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 3.9 I 参数变化对系统稳定性的影响.
