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：

① 元器件比较多，控制电路复杂，不易于小型化；

② 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；

③ 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；

④ 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：

① 设计简便，易于灵活调整控制策略而不需要更改硬件电路；

② 易于与其余数字设备对接；

③ 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控制，以及双电压环加电流环的控制等。

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。

学生签名：       

                                        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 response[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2005.

[2] Mammano R．Switching power supply topology: voltage mode vs. current mode[M]. 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 classes 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.

[5] 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 converters[M].

Beijing: Science Press，2011.

第二篇：Buck降压斩波电路