摘 要

本文主要利用预测无差拍控制器，对开关模式下的Boost型DC/DC转换器进行设计和仿真。无差拍这是一种数字化控制方式，可以提前算出控制变量，从而达到电流误差等于零的目标，解决数字控制中固有的时间延迟的问题。而且该控制器设计简单，易于实现。仿真结果表明相比于常规的数字PI控制，无差拍控制更能表现出优异的动态性能。其响应时间比经典电流模式器所需的时间少了近20%。

关键词：DC/DC转换器；无差拍控制；数字电源

Abstract

In this paper, based on predictive deadbeat control has been used to design and simulate Boost Converter. Deadbeat is a digital control mode, the control variable can be calculated, so as to achieve the goal of zero current error, addressing the digital control inherent time delayed problem in advance. The controller is designed to be simple and easy to implement. Simulation results show that compared to conventional digital PI control, deadbeat control more exhibits excellent dynamic performance. Nearly 20% of the time its response time than the classic current-mode required for less.

Key Words：DC / DC converter；deadbeat control；switch-mode power supplies

目 录

第1章 绪论 2

1.1选题的研究背景与意义 2

1.2数字开关电源的优点 2

1.3国内外研究现状 3

1.4论文结构及其主要内容 3

第2章 Boost型DC/DC转换器 5

2.1 Boost型DC/DC转换器简介 5

2.2 Boost型DC/DC转换电路的工作原理与特点 6

2.2.1 Boost型DC/DC转换电路的工作原理 6

2.2.2 Boost型DC/DC转换电路的特点 6

2.3 Boost转换器主电路小信号模型 7

第3章 无差拍控制 12

3.1 无差拍控制简介 12

3.2 无差拍控制的原理 12

3.3 无差拍控制在DC/DC转换器中的应用 13

3.3.1 无差拍控制在DC/DC转换器中控制思想 13

3.3.2 无差拍控制器与经典模式控制的比较 15

第4章 电压与电流环路设计 16

4.1电流内环控制设计 16

4.2电压环控制设计 17

第5章 常用仿真软件MATLAB 20

5.1 MATLAB简介 20

5.2 MATLAB的特点 21

5.3 仿真结果 21

结 论 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1选题的研究背景与意义

目前，开关电源一直都是电力电子技术领域的热点问题，使用了十几年的模拟电源占据了大部分开关电源的市场。随着强大数字电源技术的兴起，数字电源以其优异的性能，正成为潜在而强有力的替代品。

比起模拟电源，数字电源能在更多复杂的多系统业务中使用。通过软件编程,数字电源的应用更加广泛,可扩展性更好。由于能重复使用,使得用户易于进行修改。

数字电源有主要使用数字信号处理（Digital Signal Processing；DSP）和微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)来控制。

由于数字电源是可编程的，其另一优点是可利用软件编程，实现各种功能，例如通讯、检测、遥测等。而且,数字电源相对模拟电源来说,其性能更好，可靠性更高，更加灵活。

但数字控制结构固有的时间延迟的存在，为了优化数字控制，如何使数字控制性能进一步提高一直都是焦点问题。这些延迟的补偿一直是许多研究的主题。如史密斯预估和内模控制技术已被广泛研究，并应用于数字控制系统^[1][2]。虽然它们的确提高了控制性能，但需要大量的计算资源，这使得开关电路在高速处理时不可用。并且，由于模型的不确定性，基于模型的控制器的鲁棒性将受到损失。

另一种优化数字控制性能的方法是：在控制变量已经被计算出的情况下，使用无差拍控制技术，使误差在固定数量的步骤中被抵消。通常情况下，无差拍技术依赖于过程模型，这也使得它对于不确定的模型很敏感，并且计算密集型，需要大量的处理器资源。尽管如此，利用无差拍控制可以得到更快的动态响应性能，因此可以成功地应用到开关电路。

故我们提出一种双回路控制器，其表现出优异的动态性能，并且设计和实施简单直接。由于无差拍电流内环的特征，另一个优点是不需要在控制器设计范围内考虑负载^[3]。相比于传统的数字化的控制结构，所提出的预测无差拍（PDB）控制算法需要的微处理器的资源较少。

1.2数字开关电源的优点

（1）易储存、保密性好：可以根据数字信息的特点，对其加密储存，不仅可以利用磁盘等媒体将其长时间储存，还能使其具有良好的保密性，不易被窃取。

（2）稳定性强：比起模拟控制单一不变的补偿，数字控制可以通过调用零点和极点的方式来为控制对象提供可调节的补偿，从而提高稳定性。不仅如此，补偿的大小还可以对控制对象的状态进行追踪，当条件发生改变时，补偿还可以做出相应的改变，大大增强了系统的稳定性，并使其不受工作状态的影响。

（3）可靠性强、抗干扰：充分利用数字信号简单，易于被识别的特点，加上其模块化程度高，容易集成，因此系统具有较强的可靠性。并且数字控制几乎不会受到噪声干扰的影响,故它拥有优良的抗干扰性。

（4）容易实时监控：通过利用数字信号处理器的优良特性，方便实现电源信息的采集与处理，从而达到实时监控的目的。而且远距离监测与人机互动也成为可能。

（5）功能强大：数字控制既能实现数值之间的运算，也具备逻辑运算和判断的功能，这使得它在控制系统中具有强大的功能。

1.3国内外研究现状

60年代初，美国控制理论学家卡尔曼提出了无差拍在数字控制中的应用，在八十年代中期，由Gokhale提出的应用于逆变器的无差拍控制器，受到很多学者的密切关注^[4]。因此,无差拍控制理论在逆变器的中的应用引起广泛关注。但目前将无差拍控制理论应用于DC/DC转换器的研究还较少。

近年来，来自英属哥伦比亚大学的Stéphane Bibian和Hua Jin为了解决数字控制的延时问题，使数字控制能够汲取模拟控制无延时的优点，同时又满足数字控制易于扩展编译的优点，提出了一种基于双回路预测无差拍控制的Boost型DC/DC转换器，比起基于线性外推技术的控制器来说，该方案能达到模拟开关的动态响应性能；而对于传统的无差拍控制来说，虽然它可以达到强大的动态响应性能，但对于模型敏感，需要占用大量的处理器资源。而新型的无差拍控制技术只占用较少的处理器资源，而且不受模型的影响^[5]。