DC-DC开关变换器的模糊前馈控制 毕业论文.doc
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1、 摘要在实际电路中DC-DC开关变换器是一个强非线性离散性系统,因为开关器件在一个周期中即工作在饱和区又工作在截止区,系统在开关导通时间段和关断时间段都是线性的,即系统是按时间分段线性的和时变的,同时由于外部瞬态或持续扰动会引起变换器工作状态参数的线性变化,以及由于系统工作时导通比有上限和下限而使脉宽调制器具有饱和非线性。而模糊控制用语言描述和规则的形式来直接表达操作人员,设计者和研究人员的直觉和经验,在不需要建模的情况下直接控制系统。DC-DC开关变换器是一个强非线性离散性系统,其内在的强非线性特征引起了学者们的很大关注,在最近的10年中,将模糊控制理论应用于DC-DC开关变换器中的研究广泛
2、的展开。本文提出前馈模糊控制和闭环电压反馈控制的复合控制模型,通过单片机实现对前馈电压的模糊控制,辅助闭环电压反馈控制系统来实现对正激变换器的控制。为了进一步改善系统的控制性能,对数字控制系统的主要补偿方法进行了全面的分析,最后选择用前馈控制来改善输出响应特性。详细介绍了前馈模糊控制系统的设计,主要包括以单片机AVR8515,A/D转换器AD7824和D/A转换器AD7528为主的硬件电路及软件设计。关键词模糊控制 DC-DC 单片机 关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能,应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时,删除此框。关键
3、词:转换器;单片机;模糊控制;前馈控制;复合控制- 1 -目录摘要1引言11 模糊前馈控制系统21.1 AVR8515单片机21.2 A/D转换器AD782441.3 D/A转换器AD752861.4 系统的软件设计91.5 前馈电压采样112 闭环反馈电压控制系统123 小结13结论14参 考 文 献15致谢16 引言随着电力电子技术的发展 ,以现代电力电子功率器件为核心构成的各种功率变换装置的应用也日益广泛。 DC-DC变换电源是其中的一个重要应用分支 。 DC- DC 开关变换器属于功率电子学(Power Electronics)的研究范畴,它涉及电子学、电力技术和控制理论等学科,功率电
4、子学的研究对象可分为AC-DC(整流)、AC-AC(变 频)、DC-AC(逆变)、DC-DC(斩波)四类变换器。DC-DC开关变换器又被称为斩波器,它主要是将不可控的直流电压转换成另一个可控的直流电压值,以满足不同用途的需要。在实际电路中DC-DC开关变换器是一个强非线性离散性系统,因为开关器件在一个周期中即工作在饱和区又工作在截止区,系统在开关导通时间段和关断时间段都是线性的,即系统是按时间分段线性的和时变的,同时由于外部瞬态或持续扰动会引起变换器工作状态参数的线性变化,以及由于系统工作时导通比有上限和下限而使脉宽调制器具有饱和非线性。系统是离散系统,其控制部分有脉宽调制器,它在每一个开关周
5、期内,通过驱动器控制晶闸管通断一次,控制是不连续的。由于PWM型DC-DC开关变换器的非线性特征使变换器的动态特性解析的分析方法较为复杂,阻碍了对PWM型DC-DC开关变换器的动态分析和设计,仅仅通过传统的控制方法很难进一步提高系统性能。因此,许多的控制理论研究者致力于发展更精确的非线性模型及其他高性能控制器。DC-DC 开关变换器控制技术的进步很大程度上依赖于微处理器的发展。微处理器性能的提高使许多原来无法实现的控制方法得以实现,以及成本的下降使微处理器广泛的应用于控制。与模糊控制相对应的,在系统实现上,单片机由于具有电子计算机的基本组成部分和功能,同时又具备体积小,电路简单、故障率低、可靠
6、性高和成本低廉等优点,而被应用于DC-DC开关变换器模糊控制的系统实现。ATMEL公司吸取PIC及MCS-51单片机的优点,并作了重大改进,发挥其FLASH存储器技术特长,于1997年由A及V先生共同研发出RISC结构单片机,简称AVR。与MCS-51和PIC系列相比较,AVR具有比较突出的性能,如执行速度更快、功耗更低、效率更高、芯片使用更简便等优点。本文选用ATMEL公司的AVR芯片实现对DC-DC开关变换器的模糊前馈控制。前馈控制在及时消除扰动所带来的影响方面具有独到的特性,但由于前馈补偿控制是一种开环控制系统,对系统中的一些不可控分量是不可控制的,而反馈调节在反馈检验、消除这些不可控分
7、量方面具有优越性,故在系统中将它们结合起来,采用前馈反馈控制模式,结构如图1.1,有效地提高被控系统的性能。图1.1 复合控制系统框图1模糊前馈控制系统1.1 AVR8515单片机ATMEL公司的AT90S8515嵌入式单片微处理器是一种基于AVR增强性能、RISC结构的、低功耗CMOS技术八位微控制器(Enhanced RISC Micro-controllers)。通常简称为AVR8515单片机。1.AVR8515单片机的结构及引脚说明AT90S8515是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位单片机,通过在一个时钟周期内执行一条指令,AT90S8515可以取得接近1MIPS/MHz
8、的性能,从而使得设计人员可以在功耗和执行速度之间取得平衡。AVR还将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起。所有的工作寄存器都与ALU(运算逻辑单元)直接相连,允许在一个时钟周期内执行的单条指令同时访问两个独立的寄存器。这种结构提高了代码效率使AVR得到了比普通CISC单片机高将近10倍的性能。该器件是以ATMEL的高密度非易失性内存技术生产的片内FLASH,可以通过ISP接口或通用编程器多次编程。通过将增强的RISC8位CPU与FLASH集成在一个芯片内,8515为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。AT90S8515的管脚配置如下:图1.2 AT90S8515管脚配置图对应图1.
9、2, AT90S8515各管脚的定义为:VCC,GND:电源和接地,其工作电压源为正5V。A口(PA7-PA0):A口是一个8位双向I/O口,每一个管脚都有内部上拉电阻。输出缓冲器能够吸收20mA的电流,可直接驱动LED。当作为输入时,如果外部被拉低,由于上拉电阻的存在,管脚将输出电流。在复位过程中,即使此时时钟还未起振,为三态。在访问外部SRAM时,A口作为地址/数据复用口。B口(PB7-PB0):B口是一个8位双向I/O口,每一个管脚都有内部上拉电阻,输出缓冲器能够吸收20mA的电流,可直接驱动LED。当作为输入时,如果外部被拉低,由于上拉电阻的存在,管脚将输出电流。在复位过程中,即使此时
10、时钟还未起振,为三态。C口(PC7-PC0):C口是一个8位双向I/O口,每一个管脚都有内部上拉电阻。当作为输入时,如果外部被拉低,由于上拉电阻的存在,管脚将输出电流。在复位过程中,即使此时时钟还未起振,为三态。D口(PD7- PD0):D口是一个有内部上拉电阻的8位双向I/O口。输出缓冲器能够吸收20mA的电流。当作为输入时,如果外部被拉低,由于上拉电阻的存在,管脚将输出电流。在复位过程中,即使此时时钟还未起振,为三态。RESET:复位输入。超过50ns的低电平将引起系统复位,低于50ns的脉冲不能保证可靠复位。ALE:访问外部SRAM时的地址锁存信号。2.单片机的应用AVR8515主要是用
11、于实现模糊控制器的,同时还对系统的一些部分如A/D转换器等进行控制。AVR8515具有32个双向I/O口,内部含有上拉电阻,可以吸收20mA的电流。每个I/O口都具有3个寄存器,用于定义端口功能,输出锁存以及直接输出到引脚,支持真正的读修改写I/O端口。AVR8515编程主要就是对模糊控制器进行控制,从外围电路输入获取采样值,然后进行模糊化,然后通过模糊规则推理,得出模糊控制才输出结果,反模糊化后通过外围电路实现控制精确值的输出,实现模糊控制的整个过程。AVR8515直接控制的外围电路主要包括AD7824, AD7528以及一些逻辑器件,因此整个程序主要由初始化程序,AD7824控制程序,AD
12、7528控制程序,模糊推理程序,时间控制程序等构成。定义AVR8515的A口为数据输出端口、B口为数据输入端口,D口为控制输出端口。B口接AD7824的数据输出端,取A/D数据转换值。AVR8515的D口用来对单片机的外围电路实现控制AD7824,AD7528的读写和数据转换。A口为单片机的输出端,输出PWM控制电平的数字信号到AD7528。本单片机使用8M的晶振。1.2 A/D转换器AD78241.AD7824介绍及引脚说明AD7824是具有4个模拟输入通道的高速8位A/D转换器。它的主要特点有:AD7824使用先进的半闪存技术,实现约2. 5us的快速转换功能,使其每个通道的采样频率可以达
13、到l00kHz;AD7824的内建采样保持器可以处理最大宽带为10kHz的输入量;AD7824使用一个正5V电源供电,在外接参考电源也为正5V的情况下,可以接受0到正5V的模拟输入,同时简化了系统对电源的要求:AD7824快捷、简易的数字接口使与单片机连接时需要最少的外围设备;AD7824使用先进的离子注入、线性兼容CMOS (LCCMOS)工艺制作,通常只消耗40mW功率。其引脚配置如图1.3所示:图1.3 AD7824引脚配置图其中: 1-4脚为模拟输入端, 6-9脚为低4位数字输出端,10脚为读取控制端,11脚为转换完成状态输出端,12脚为芯片电源地连接端,13脚为参考电源地连接端,14
14、脚为参考电源引入端,15脚为准备就绪状态输出端,16脚为片选控制端,17-20脚为高4位数字输出端,21-22脚为模拟输入选通端,24脚为供电电源引入端。AD7824的时序和控制有两种数字信号输入,分别是和。当读操作使和为低电平的时候,即开始在选定的通道进行A/D转换。在操作的时序图中有两种模式,分别使模式0和模式1。模式0是用来驱动单片机进入等待状态,而模式1则不要求单片机进入等待状态。在控制过程中,将AD7824的第21脚与地相连,保证芯片只对模拟通道1和2进行A/D转换。由于AD7824与AVR8515相连接,当AVR8515输出控制信号,使AD7824工作在读写模态。当AD7824工作
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