毕业设计（论文）DCDC开关变换器的设计

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1、燕山大学毕业设计（论文）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

2、开关变换器中的研究广泛的展开。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

3、信息时，删除此框。关键词：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燕山大学毕业设计（论文）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

4、涉及电子学、电力技术和控制理论等学科，功率电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

5、统，其控制部分有脉宽调制器，它在每一个开关周期内，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

6、，同时又具备体积小，电路简单、故障率低、可靠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

7、制的，而反馈调节在反馈检验、消除这些不可控分量方面具有优越性，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，AT

8、90S8515可以取得接近1MIPS/MHz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

9、.2 AT90S8515管脚配置图对应图1.2, 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

10、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。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

11、信号。2.单片机的应用AVR8515主要是用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

12、主要由初始化程序，AD7824控制程序，AD7528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

13、的快速转换功能，使其每个通道的采样频率可以达到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

14、电源地连接端，13脚为参考电源地连接端，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A

15、D7824工作在读写模态。当AD7824工作在读写模态时，其工作过程为：当和均为低电平时，转换开始，此时，通道地址在的上升沿被锁存，同时在一段小的延时之后，变为高电平。在转换结束后，变为低电平。接着当再次变为低电平时，即可读出转换结果，同时这一信号会锁存一个新的通道地址并进行一次新的转换。2.AD7824在系统中的应用AD7824的24脚接单级正5V电源。在14脚芯片参考电源端接正5V，而13脚参考电源接地端接地的时候，AD7824可以转换0到5V的模拟输入信号为数字信号。将AD7824与单片机AVR8515连接，单片机的D口输出控制电平来控制AD7824的读写。AD7824有两种转换模式，在

16、这里选用模式1，使连接的单片机AVR8515不需要等待而直接进行模数转换，因此将AD7824的15脚准备就绪状态输出端接地。AD7824的21脚输入通道选择端和22脚输入通道选择端控制选择模拟信号的输入端口，由下面的输入通道选择表4.1可以看出，要选择输入通道1(3脚)和通道2(4脚)进行数模转换，则端要一直为低电平，所以将其接地。为了消除对芯片AD7824的干扰，在电源正5V与接地之间加上两个分别为0.1和47的电容。表1.1输入通道选择表AD7824A1A2Channel00AIN101AIN210AIN301AIN41.3 D/A转换器AD75281.AD7528介绍及引脚说明AD752

17、8是双通道8位D/A转换器，对于每个通道，分别地提供一个片内锁存器以方便与微处理器相连接。该器件可工作在5V或15V电压下，仅消耗大约20mW的功率。数据可通过一个8位TTL/CMOS兼容的输入端输入到锁存器中，同时可以通过功能设置端设置是保持原有输出还是根据新输入数据输出模拟信号。AD7528通过自带的外接电阻，可以将其增益误差调整到零。其原理是利用DAC内部的R-2R电阻网络，一个DAC作为运放的输入电阻，另一个作为反馈电阻。R-2R的等效电阻可写为:其中分别为DACA和B的R-2R梯形网络电阻，为十进制的DAC输入数字(1255)。可以得到电路的增益为:然而AD7528为双精密匹配的DA

18、C，其中，所以电路的增益为:，可见其增益完全由输入的数字量决定。因此，这个电路不需要外接精密电阻即可获得精确的放大倍数，放大范围为1/255 255(-48dB +48dB) ，AD7528的两个片选信号由译码器分别提供，因此，双通道的放大倍数可以独立设置。图1.4为AD7528的引脚分布图。其中: 1脚为模拟地，2脚为A通道模拟输出，3脚为A通道反馈电阻输出端，4脚为A通道参考电压引入端，5脚为数字地，6脚为A, B通道选择端，7-10脚为高4位数字输入，11-14脚为低4位数字输入，15脚为片选端，16脚为写入使能端，17脚为电源输入端，18脚为B通道参考电压引入端，19脚为B通道反馈电阻

19、输出端，20脚为B通道模拟输出端。图1.4 AD7528引脚分布图AD7528的两DAC共用同一个8位输入口，在工作过程中，通过控制信号来选择其中一个DAC接受数据，然后通过信号和来选择DAC的操作模式。当和都处于低电平的时候，被选中的DAC就处于写状态，而当或者处于高电平状态，则被选中的DAC就出于数据保持状态。表4.2为AD7528的模式选择表。表1.2 AD7528模式选择表AD7528LLLWRITEHOLDHLLHOLDWRITEXHXHOLDHOLDXXHHOLDHOLD2.AD7528在系统中的应用AD7528可工作在正5V和正15V电压源，将其17脚接单级正15V电源。1脚模拟

20、地和5脚数字地一起接地。数据输入端口接单片机AVR8515的A口，2脚输入一个参考电压，4脚输出控制电平。下面地表格为AD7528的数模转换表格：表1.3 数据转换表DAC Latch contentsAnalog CutputMSB LSBDACA or DACB1 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 =0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 =0注意:由表1.3可以看出来，其输出控制电平应该为:其中为单片机经过模糊算法得出来得控制调节参数，为前馈输入电压值,为输出控制电平。1.4系

21、统的软件设计软件的基本功能包括初始化、数据采集、模糊前馈控制及模糊数据表等几部分。如图1.5所示，初始化主要是定义端口的功能，AVR8515单片机的四个端口A、B、C、D分别被定义为:A口为输出端口接D/A变换器、B口为输入端口接A/D变换器以及D口为控制输出端口。AVR8515单片机通过D口输出控制电平使AD7824将前馈电压和电感电流电压采样进行模数转换，然后由B端口读入单片机，根据读入的采样值进行模糊逻辑推理，得到模糊控制输出，按照第3部分提出的重心法计算出模糊控制输出的精确值，最后由A口输出。图1.5 软件流程图1.初始化程序初始化程序主要是定义某些功能寄存器和中断向量表。先定义A、B

22、、C、D四个端口；将A端口8个I/O定义为输出端，B端口8个I/O定义为输入端，而D端口中除第3脚定义为外部中断输入脚，其余定义为输出引脚。对I/O的定义，是通过对DDRx(x=A、B、D)定义的，DDRx为8位寄存器。采用二进制数，每位对应一个I/O口，当I/O设置为1时，对应口就为输出，相应的，当I/O设置为0时，对应口为输入。所以对DDRx的设置为:DDRA= 11111111，DDRB=0，DDRD=11111011。然后读中断进行定义，先对SREG寄存器的第7位置0，禁止所有中断，对GIMSK寄存器的第6位置1，其他置0，使能外部中断请求0，同时清楚寄存器GIFR中的标志，然后将MC

23、UCR寄存器置位10，使能INTO的下降沿触发中断。2.采样程序由D7脚对AD7824输出读取信号，同时D6脚输出AD7824模拟通道地址，并通过D0，D1脚输出控制电平，令输入采样电压输入到相应的AD7824模拟输入端。当转换完成后，AD7824的输出下降沿引发中断，通过B端口将A/D转换值读入单片机通用寄存器。重复上一过程两次，分别读入前馈电压和电感电流的采样值。计时器输出比较寄存器A匹配时，触发中断，开始进行积分。然后计时器输出比较寄存器B匹配，D0输出低电平，使AD7824开始将电感电流积分值转化为数字量，约等待3us后，通过B端口读入。并通过D1输出低电平开始转换前馈电压采样，再等待

24、3us，通过B端口读入采样转换值。3.模糊推理程序首先根据读入的前馈电压采样和电感电流采样值，分别求出其应属于的模糊子集和对应的隶属度。然后根据前一章所定的模糊子集和规则，推出对应的输出模糊子集，然后根据第四章提出的重心法去模糊法，得到精确的模糊控制值，通过A口输出到AD7528上。1.5前馈电压采样控制系统要获取系统的运行参数，以了解系统的运行状况，用来作出相应的控制，使系统按照设定的状态运行。对应的检测值就是系统运行参数的采样，被看作是控制部分的输入，而最后的控制值就是控制系统的输出， 因此获得精确的采样值对控制系统是非常重要的。根据前一章的设计，需要检测的主要是输出滤波电感的电流值和前馈

25、电压值。对于输出滤波电感的电流值的检测比较简单，只需用一般的积分电路得到一个平均值就可以。因为在本控制系统中，对电流采用很简单的控制算法，对其采样的精确度要求不是很高。而对前馈电压的采样就对整个控制系统非常的重要，因为必须获得一个能够反映输入交流电压变化的精确采样值。前馈模糊控制采样正激变换器的前馈电压为模糊输入量，也就是采样220V交流输入电压经过整流桥以后得到的直流电压。根据正激变换器的工作特点可知，由于正激电路采用了变压器隔离，而本系统采用了电压前馈控制和电压反馈控制的复合控制模型，因此如果直接采样输入电压变化的话，就会使正激电路的原副边共地，为了解决这个问题，利用电压互感通过变压器的原

26、边得到一个电压，其采样电路如图1.6: 图1.6 前馈电压采样电路如图1.6所示，电流通过两个整流二极管对电容进行充电，得到一个恒压直流，然后由电阻和采样，其中为可调电阻，构成放电回路。由于在原边的管脚只是绕一圈线圈，所以反馈的电压很小，滤波电容也很小，因此对系统的动态响应影响很小，后面的实验结果也证实如此。2闭环反馈电压控制系统为了保证输出电压的稳定输出，在加上模糊前馈控制的基础上仍然依靠闭环反馈电压控制系统来实现对电压的稳定输出。将正激电路的输出电压通过一个可调电阻分压后直接输入到反馈模拟电路中，如图1.7所示: 图1.7 闭环电压反馈控制图将反馈电压同参考电压进行比较，然后通过放大器进行

27、放大，其中为可调电阻，可以调节反馈控制的放大系数。闭环电压反馈控制电路最终输出一个放大误差电压，然后和模糊前馈控制系统输出的控制电平加在一起，与三角波进行比较得到输出控制波形，复合控制方框图如4.8所示。图1.8 复合控制方框图3本章小结本章详细介绍了复合控制系统的硬件电路的设计及程序流程。主要包括前馈模糊控制系统的单片机接线图，前馈电压的采样电路以及闭环电压反馈控制系统。结论论文介绍了以单片机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以及闭环电压反馈控制电路。并且以正激变换器为实验平台来实现控制设想。为了进一步改善控制系统的性能，分析了数字控制

28、系统的主要的补偿方法，决定选择用前馈控制来改善系统输出响应特性。由实验结果可以看出控制电路的控制特性符合控制设计要求，得到了较好的响应特性。研究方向：智能控制的主要目标是使控制系统具有学习和适应能力。要使系统具有适应能力就必须通过学习，这样才能使系统具有强鲁棒性，在复杂控制系统中能根据系统所处的环境、操作条件的变化、控制目标的变化，通过不断学习，适应新的要求。模糊推理、神经网络和遗传算法均具有模拟人类思维结构和方式的特点，将三者有机地结合起来，发挥各自的优势，将是智能控制研究的主要方向。论文中虽然用到了模糊控制，但是其算法相对还是比较的简单，控制的精度也不够高，因此下一步努力的方向是在利用更高

29、性能的单片机的基础上提高智能控制的控制成分，完善控制特性。参 考 文 献1 孙和平，白晶，杨宁.单片机原理与接口技术M.北京：冶金工业出版社，2003.175-193.2 周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用M.北京：人民邮电出版社，2005.153-163.3 张占松等.开关电源的原理与设计M.电子工业出版社，1998.103-112.4 丁道宏.电力电子技术M.北京：航空工业出版社，1995.1-121.5 张建民，王涛，王忠礼.智能控制原理及应用M.北京：冶金工业出版社，2004.6.81.6 吴爱国，李际涛.DC-DC变换器控制方法研究现状J.电力电子技术，1999(2):75-78.致谢本文是在纪洪利老师的悉心指导下完成的。纪老师严谨的治学态度、敏锐的洞察力和孜孜不倦的指导给了我很大的帮助，并对论文工作的完成产生着直接的影响；纪老师幽默的谈吐也给我留下深刻的印象，使我在紧张的论文写作中心情得到了适当的放松，在我遇到困难时，纪老师能够不辞辛苦的给我解答疑惑。因此我的论文才能够更好更顺利的完成。在此向他表示最诚挚的感谢和无限的敬意!最后，向评阅本论文以及论文答辩的专家、老师们致以崇高的敬意!- 16 -