基于FPGA数字控制的DC/DC变换器研究

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随着现场可编程门阵列FPGA与数字信号处理器DSP等高性能数字控制芯片的迅速发展,开关电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。可编程逻辑器件FPGA由于其成本较低,可重复编程,使用灵活,可靠性高,风险小等特点,很好的满足了开关电源设计与生产中降低成本,缩短设计周期,加强可靠性,以及标准化、模块化的要求。因此,FPGA在开关电源领域得到广泛应用。此外,由于比DSP具有更低的成本,更快的速度,更高的频率,而且可以根据功率变换器的特点灵活进行设计,尤其适用于高频开关电源的设计。DC/DC变换器作为一类典型的开关强非线性系统,长期以来,其控制方法仍沿用传统的线性控制理论(如PI、PID控制),很难获得较好的动态性能。随着现代控制理论的发展,滑模控制、模糊控制、神经网络控制等先进控制方法已经广泛应用于开关电源领域,使DC/DC变换器的稳态误差趋于零,动态性能获得了很大改善,而且对参数的不确定性和负载的多变性也有很好的鲁棒性。 本文基于FLEX10KA FPGA(EPF10K30AQC208)数字控制芯片研制开发了一台容量为100W的Buck变换器样机,控制策略采用神经网络控制。文中在对Buck变换器进行Matlab仿真以及硬件电路实现的基础上,对传统PID控制方法与神经网络控制方法进行了深入的比较与分析,仿真及实验结果证明了数字控制系统的良好性能,充分体现了现代控制理论对提高DC/DC变换器系统稳定性及动态响应性能方面的优越性。同时,所有控制算法均集中于一片FPGA芯片中,为开关电源的模块化、集成化、智能化提供了基础。
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