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1、毕业设计（论文）开题报告一、课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）1. 选题背景及课题目的和意义自第三次工业革命以来，电力电子技术飞速发展，广泛应用于电力、电子、通信、计算 机等领域。其中，开关功率变换器作为一种基本的电力电子元件，国内外对于其应用和研究 进行了广泛的探讨。然而随着电力工业发展，用户对电能质量的要求越来越高，各种电子元 件特别是微处理器对供电模块的性能提出了极高的要求，传统的控制方法越来越不适用于 现代电力工业对负载动态响应速度，稳态精度和传输效率的要求。经过半个多世纪的不断探 索，开关功率变换器的控制技术有了脱胎换骨的变化，实现了从传统的模拟调制
2、向数字调制 从单一电压调制向电压、电流、电荷以及组合调制方式的转变，有效的提高了变换器的动态 性能。本课题的目的在于综合分析比较现有调制方式，选择合理的有现实意义的调制策略，对 其进行深入分析和研究，最终实现所选择方式的实验实现，为进一步的研究提供基础，实现 相关领域人才和技能的培养。2. 国内外研究现状与选型分析按照开关变换器控制方式的发展历程，经历了从模拟控制到数字控制，从单环控制到双 环控制，从线性控制到非线性控制，从单一控制量到组合控制的转变，有效的提高了开关变 换器的快速响应能力，可以较好的满足现代电力工业对复杂电力环境下调制的要求。模拟控制技术是最早应用于各个控制领域，不失为一种有
3、效的控制手段，但随着电子信 息工业的发展和微型计算机的普及，基于计算机的数字控制技术异军突起，借助于信息工业 的优势，称为现代控制技术的主要发展方向。模拟控制技术是一种连续控制，通过事先计算 好的电感电容参数组建电路，实现对输出量的控制。经过多年的发展，模拟控制技术已经相 当成熟，然而其依然存在难以克服的固有缺陷： 元器件比较多，控制电路复杂，不易于小型化； 控制策略受到电路元件和电路结构的局限，控制电路成型后很难修改； 由于模拟元件参数随工作环境变化，导致系统控制精度下降； 调试不方便，难以实现复杂控制方案，灵活性较低。此外，还存在没有内置的限流功能保护电路器件，对输入和输出的瞬变响缓慢等缺
4、点， 但在早期应用中不失为一种有效的控制方案。数字控制技术是一种离散控制，通过A/D转换器将模拟量离散后输入计算机控制系统，不 依赖于具体的电路元件。早期由于数字元件的成本、性能等自身问题，未能大规模应用于控 制领域。近年来，随着微机工业的进步，数字控制技术也迎来了快速发展。相较于模拟控制 技术，数字控制技术具有很多突出的优点： 设计简便，易于灵活调整控制策略而不需要更改硬件电路； 易于与其余数字设备对接； 易于实现更加复杂而精确的控制算法。缺点在于一是采样精度过高时会对硬件系统带来很大的计算负担，二是当PWM控制频率过 高时对计算机性能带来挑战。总体来说，数字控制技术优势明显，是开关变换器控
5、制技术的 发展趋势。不管是模拟控制技术还是数字控制技术，其基本控制原理都是用采集量控制输出量，所 不同的是信号在电路中的表现形式；相对而言，数字控制技术更加直观，程序更易理解、修 改，因而成为现代主流的研究方向。2.1 电压型控制方式电压型控制是一种单环控制方式，多应用于早期的控制环节，至今其应用范围依然很广 泛。电压型控制是利用采样输出电压作为单环控制的输入信号，将该信号与参考电压比较的 差值经过误差放大器补偿后生成控制电压。控制电压与锯齿波进行比较，生成脉冲宽度与控 制电压成正比的脉冲信号，该信号再经过驱动电路来驱动开关的导通和关断，实现变换器输 出电压的调节。电压型控制的优点：独立的一个
6、电压控制环路，属于单环闭环负反馈控制， 设计和分析相对比较简单，电路易于实现且由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。 电压型控制的缺点：输入电压或输出电流变化后，因为采样信号为输出电压，只有在输出电 压改变时才能检测出变化，并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。此外，由于电压型 控制对过电流没有限制，因而需要额外的电路来限制过电流的危害。经过多年成熟的发展，电压型控制技术应用于广泛的领域，但因其响应的快速性和响应 精度越来越难以达到现代电力负载快速变化的要求，速度较慢，越来越不适用于现代电力电 子工业场合，现有新投入使用的设备使用较少，因此实验实现意义较小。2.2 电流型控制方式电流型控
7、制方式是当前研究最广泛，最深入的一种开关变换器控制方式，其能适应现代 复杂多变的电力网络对变换器的需求，因而是当代使用较为广泛的一种变换器。电流控制属 于双环控制，其动态响应能力较强，且易于实施过电流保护，从而有效的保护电路元件。根 据不同的调制策略，电流型调制可以细分为：峰值电流控制、谷值电流控制和平均电流控制。1978 年，国外学者提出了峰值电流控制技术，该技术采用电感电流代替电压型控制的锯 齿波作为比较器的一个输入信号。峰值电流控制同时引入输出电压（电容电压）和电感电流两 个状态变量作为反馈控制变量，提高了开关变换器的性能。峰值电流控制工作原理为：在每 一个开关周期开始时，时钟信号使触发
8、器置位，开关控制信号高电平，使开关导通，电感电 流由初始值线性增大，检测电阻上的电压也线性增大，当该电压增大到控制电压时，比较器 翻转，使触发器复位，控制信号为低电平，开关关断，直到下一个时钟脉冲到来，开始一个 新的开关周期。控制电压由检测的输出电压与参考电压的差值经误差放大器后生成。峰值电 流控制除了可以采用电感电流作为内环控制外，还可以采用开关电流。峰值电流技术与传统 电压控制相比，通过控制电流峰值的大小来有效的避免了过电流的危害，同时提高了变换器 的响应速度，提高了输出稳态精度，最重要的是其限流功能对变换器实现了过流保护。与峰值电流控制技术对应，谷值电流控制的控制量是电流谷值，从而能够取
9、得较低的控 制电压，容易在 CPU 允许的工作环境下进行控制。谷值电流控制的原理为：在每一个开关周 期开始时，时钟信号使触发器复位，开关控制信号低电平，使开关关断，电感电流由初始值 线性减小，检测电阻上的电压也线性下降，当该电压减小到控制电压时，比较器翻转，使触 发器置位，控制信号为高电平，开关导通，直到下一个时钟脉冲到来，开始一个新的开关周 期。控制电压由检测的输出电压与参考电压的差值经误差放大器后生成。峰值电流控制除了 可以采用电感电流作为内环控制外，还可以采用二极管电流。通过上文的叙述可知，峰值电流控制和谷值电流控制存在对称性，均为利用电感电流的 最值进行控制，对控制侧电流值拥有良好的控
10、制能力。进一步分析可知，峰值电流控制和谷 值电流控制存在对偶关系，两者可以相互类比，更加容易理解二者的控制方式。峰值电流技术和谷值电流技术均对一侧电流拥有较好的控制能力，但对全过程控制能力 有限，有其在特定占空比下易产生次谐波振荡。峰值电流控制的原理为：检测电阻上的电压 与误差电压相减后，经积分器得到信号，再与锯齿波比较得到控制信号控制开关导通或关断 平均电流控制的优点在于：通过积分器减小控制信号波动，使电感电流峰值值能够有效跟踪 设定值；利用积分器获得优越的噪声抑制能力。缺点在于：电流积分器的增益有限制，双环 控制系统设计复杂，积分作用使得动态响应能力变慢。在峰值电流控制中，如何计算第 n
11、个 周期的峰值电流关键，如果选择的计算点太少，会影响计算精度，产生较大的误差；如果选 择的计算的过多，则又会严重影响计算速度。功率变换器还存在其余更加复杂的控制方式，利如利用每个周期输入电荷总量的电荷型 控制，控制二极管电压的磁通型控制，利用电压双环反馈的V 2控制，以及双电压环加电流环 的V2C控制等。经过分析与比较，本次毕业设计拟采用基于四点均值法的数字控制平均电流调制策略， 并进行仿真分析，最后争取在实际电路模型中实现。 二、课题任务、重点研究内容、实现途径1. 课题任务课题任务主要包括如下三方面：（1）综合运用自动控制理论电力电子技术计算 机控制技术数字控制技术等主干课程知识，理解峰值
12、电流调制策略的原理与实现路径， 在仿真平台上搭建仿真电路，实现电流调制的仿真实现；（2）学习 DSP 编程方法，学会利用 DSP 实现相应的程序；（3）搭建实验电路，在实际电路中实现峰值电流控制方法。2. 重点研究内容重点研究内容如下：（1）峰值电流控制的基本原理、控制过程；（2）仿真平台软件的使用与调制，仿真模型的搭建；（3） DSP编程学习，数字化实现峰值电流控制；（4）物理电路的 搭建与实验仿真，实验实现峰值电流控制方法。3、进度计划序号起止周次工作内容11周至2周完成译文和开题报告23周至4周所提峰值电流调制思想及其仿真实现35周至8周DSP-28335开发板的编程与控制学习49周至
13、13周基于DPS实现所提峰值电流调制buck变换器513周至 14周论文修改定稿615周至 16周答辩资料准备，答辩学生签名：逐机2015 年4月1日4、指导教师意见指导教师签名：/2015年4月1日参考文献：1 王凤岩.快速瞬态响应电压调节器控制方法的研究D.成都：西南交通大学， 2005.Wang Fengyan. Study on the control technique of voltage regulator with fast transient responseD. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2005.2 Mammano R
14、 Switching power supply topology: voltage mode vs. current modeM. Unitrode Design Note DN-62, 1994.3 Dixon L.Average current mode control of switching power supplies M. Unitrode Application Note U140， 1990.4 Redl R ， Sokal N O. Current-mode control, five different types, used with the three basic cl
15、asses of power converters: small-signal AC and large-signal DC characterization, stability requirements, and implementation of practical circuits C IEEE Power Electronics Specialists Conference.Toulouse， France： IEEE， 1985： 771-785.周国华.基于纹波的开关功率变换器控制技术及其动力学行为研究D. 成都：西南交通大学， 2011.Zhou Guohua. Ripple-based control technique and dynamical behavior of switching power converters D. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2011.6周国华，许建平.开关变换器数字控制技术M.北京：科学出版社，2011.Zhou Guohua， Xu Jianping. Digtial control of switching convertersM.Beijing: Science Press， 2011.
