高频开关变换器的数字控制 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

编辑推荐

　　《高频开关变换器的数字控制》一书聚焦于高频开关变换器的分析、建模和数字控制环路设计。本书围绕功率变换器展开叙述，旨在让读者理解功率变换器，分析功率变换器，能对功率变换器进行建模，并进行设计及实现数字环路控制。本书覆盖了系统级传递函数至实际工程实现的全过程。本书提供了理论和实际例程。后续部分还广泛采用了Matlab仿真并提供仿真例程。
　　本书的特点如下：
　　1)功率变换器的数字控制理论；
　　2)Verilog和VHDL代码；
　　3)数字补偿器设计实例。
　　《高频开关变换器的数字控制》全面覆盖了数字控制的理论和实际设计，并且关注了基础和前沿热点问题。

内容简介

　　《高频开关变换器的数字控制》全面地介绍了开关功率变换器的数字控制。 第1章简介了开关变换器连续时间域经典的平均状态建模方法。第2章介绍了数字控制的基本结构。第3章介绍了开关变换器离散域直接建模的方法并得到z域的小信号动态模型。在此基础上，第4章介绍了如何直接设计数字补偿器。第5章介绍了模/数(A/D)转换器的幅度量化误差和数字脉冲宽度调制器（DPWM）。第6章介绍了数字补偿器的实现。后,第7章介绍了整定技术。
　　《高频开关变换器的数字控制》可为从事电力电子或数字控制的相关研究和应用的工程技术人员提供参考，也可作为高等院校相关专业学生的研究生教材使用。

作者简介

　　Luca Corradini博士，意大利帕多瓦大学电气工程副教授。Corradini博士作为合著者发表了超过50篇的期刊和会议论文。
　　
　　Dragan Maksimovi?博士，美国科罗拉多大学波尔得分校Charles V. Schelke讲席教授，科罗拉多电力电子研究中心（CoPEC）主任。
　　
　　Paolo Mattavelli博士，意大利帕多瓦大学电气工程教授。Mattavelli博士的主要研究领域为功率变换器的分析、建模和控制。
　　
　　Regan Zane博士，美国犹他州立大学电气与计算机工程教授。Zane博士因在节能照明系统方面所做的工作于2004年获得美国国家科学基金会职业成就奖（NSF Career Award）。
　　

目录

译者序
原书前言
导论1
第1章DC-DC变换器的连续平均建模9
1.1PWM变换器9
1.2变换器的稳态11
1.2.1升压变换器举例12
1.2.2开关纹波估计13
1.2.3基本变换器的电压转换比14
1.3变换器的动态和控制15
1.3.1变换器的平均和线性化16
1.3.2脉冲宽度调制器的建模18
1.3.3系统环路增益19
1.3.4基本变换器的平均小信号建模20
1.4状态空间平均法21
1.4.1变换器的静态工作点21
1.4.2平均小信号状态方程模型22
1.4.3升压变换器举例23
1.5设计实例24
1.5.1电压模式控制的同步降压变换器25
1.5.2平均电流模式控制的升压变换器32
1.6占空比d［k］和d(t)36
1.7要点总结37
第2章数字控制环路38
2.1实例学习：电压模式的数字控制38
2.2A/D转换39
2.2.1抽样速率39
2.2.2幅值量化42
2.3A/D转换数字补偿器43
2.4数字PWM（DPWM）46
2.5环路中的延迟48
2.5.1控制延迟48
2.5.2调制延迟49
2.5.3整个环路延迟51
2.6数字控制设计中使用平均模型52
2.6.1平均模型的局限性52
2.6.2数字控制的变换器的平均模型54
2.7要点总结57
第3章离散时间建模58
3.1离散时间小信号建模58
3.1.1入门实例：开关电感60
3.1.2一般情况63
3.1.3用于PWM的基本类型的离散时间模型64
3.2离散时间模型实例66
3.2.1同步降压变换器66
3.2.2升压变换器72
3.3时不变拓扑的离散时间建模76
3.3.1离散时间建模的等价性78
3.3.2与修正Z变换的关系80
3.3.3Tu(z)的计算80
3.3.4降压变换器实例83
3.4基本Matlab的变换器的离散时间建模83
3.5要点总结87
第4章数字控制88
4.1系统级补偿器的设计88
4.1.1采用双线性变换法直接设计89
4.1.2在z域和p域的数字PID补偿器91
4.2设计例程94
4.2.1电压控制模式时同步降压变换器的数字控制94
4.2.2电流控制模式时升压变换器的数字控制100
4.2.3多环控制模式时同步降压变换器的数字控制102
4.2.4升压功率因数校正器105
4.3变换器的其他传递函数117
4.4驱动器饱和与积分抗饱和措施120
4.5要点总结124
第5章幅值量化126
5.1系统量化126
5.1.1A/D转换器127
5.1.2DPWM量化128
5.2稳态时的解129
5.3无极限环的条件131
5.3.1DPWM与A/D分辨率132
5.3.2积分增益134
5.3.3动态量化效应136
5.4DPWM和A/D转换器实现技术137
5.4.1DPWM硬件实现技术137
5.4.2通过Σ-Δ调制有效改进DPWM的分辨率141
5.4.3A/D转换器142
5.5要点总结143
第6章补偿器的实现144
6.1PID补偿器的实现146
6.2系数的缩放和量化148
6.2.1系数的缩放149
6.2.2系数的量化151
6.3电压控制模式实例：系数量化153
6.3.1并联结构154
6.3.2直接结构156
6.3.3级联结构157
6.4定点控制器的实现161
6.4.1有效的动态范围和硬件的动态范围162
6.4.2信号的上限和L1范数163
6.5电压控制模式实例：定点实现164
6.5.1并联实现166
6.5.2直接实现169
6.5.3级联实现171
6.5.4线性系统和量化后的系统响应对比174
6.6控制器的HDL实现175
6.6.1VHDL实例175
6.6.2Verilog实例178
6.7要点总结179
第7章数字控制的自整定180
7.1自整定技术简介180
7.2可编程的PID结构181
7.3通过注入数字扰动信号实现自整定184
7.3.1工作原理185
7.3.2PD自整定的实现188
7.3.3仿真实例190
7.3.4PD自整定环路的小信号分析192
7.4基于继电器反馈的数字自整定197
7.4.1工作原理198
7.4.2数字式继电器反馈的实现199
7.4.3仿真实例202
7.5实现问题203
7.6要点总结204
附录205
附录A离散时间线性系统和Z变换205
A.1差分方程205
A.1.1强迫响应206
A.1.2自由响应207
A.1.3脉冲响应和系统的模208
A.1.4模的渐进特性209
A.1.5更多实例209
A.2Z变换210
A.2.1定义210
A.2.2性质210
A.3传递函数212
A.3.1稳定性212
A.3.2频率响应212
A.4状态空间表达式213
附录B定点算法和HDL编码214
B.1截断操作和截断误差214
B.2浮点和定点算术系统215
B.3二进制补码（B2C）的定点表示216
B.4信号表示218
B.5B2C数的操作以及HDL实例219
B.5.1符号扩展219
B.5.2对齐220
B.5.3符号取反221
B.5.4LSB和MSB截断222
B.5.5加法和减法223
B.5.6乘法225
B.5.7溢出检测和饱和运算225
附录C规则采样脉冲宽度调制器的小信号相位滞后230
C.1后沿调制器231
C.2前沿调制器234
C.3对称调制器234
参考文献236

前言/序言

　　原书前言
　　在连续时域分析、开关变换器的平均模型和模拟控制理论等框架内，人们已经建立电力电子学基础［1-5］。然而，电力电子变换器的控制和管理功能逐步趋于数字化实现，使其基础研究领域延伸至离散时间建模域和数字控制技术。动态系统的数字控制的教科书和课程通常介绍了基础知识，但并未提供深入理解和涉及基于数字控制功率变换器的特殊知识。本书试图填补这一空白，将系统而严谨地介绍基于数字控制的高频开关变换器的基础知识。《高频开关变换器的数字控制》的目标是使读者能够理解、分析、建模、设计功率变换器的数字控制环。其内容涵盖了从系统级传递函数到采用主流硬件描述语言（HDL）如VHDL或者Verilog的实际设计。
　　《高频开关变换器的数字控制》可作为主修电力电子课程的电气工程研究生的教科书或者作为研究数字控制的功率变换器的工程师和研究人员的参考书。《高频开关变换器的数字控制》假定读者已经熟悉电力电子的基本规律以及连续时间域建模方法和控制技术。熟悉采样系统和离散时间系统的分析有助于理解本书，但这些知识点不是必需的。本书的开始部分会对这些重要的概念进行介绍，此外附录A也总结了离散时间系统的基础知识点。对于一些更加复杂的研究背景，读者可参考一些教科书，例如参考文献[7，8]。
　　《高频开关变换器的数字控制》结构如下：导论概述了数字控制的高频开关变换器，阐述了研究热点背后的动机，小结了当前关于该领域分析、建模、控制和实现的现状，总结了目前数字控制器的优点（友好的系统能量管理接口，控制功能可编程实现，动态响应和效率的提升，实用的自整定技术）。
　　第1章回顾了开关变换器连续时间域平均状态建模方法。许多专业图书都介绍了平均小信号建模方法，这部分内容并不是简单的重复，而是意在重点介绍平均小信号建模方法背后的建模方法和假设条件。了解平均建模方法的原理和约束条件有助于理解对数字控制的功率变换器建模时需要不同的建模方法。
　　第2章介绍了数字控制的变换器中的关键器件，这使得读者无须关注建模的细节就能快速了解模拟控制和数字控制的区别。本章结尾讨论了采用连续时间域平均模型设计数字环路的方法，在实际工程中常采用这种方法，但是这种方法是一种近似方法，仅考虑了采样影响和数字控制延迟。
　　第3章介绍离散域建模的方法，将数字控制的变换器视为一个数据采样系统，推导z域而不是s域下的小信号动态模型。此外，本章讨论了一些建模实例，以便建立离散时域建模的理论框架。本章进一步建立了连续时间建模与离散建模之间的变换关系。这个变换关系与拓扑结构无关。介绍了一个简单直接向前离散化公式，将变换器的平均小信号模型转化为精确的离散时间域模型。
　　第4章在第3章提出的离散时间域模型基础上分析了如何直接设计数字补偿器。有关文献介绍了很多设计方法，本书重点介绍了双线性变换法。这种方法的最大的优点是整个设计过程类似连续时间域的设计过程，数字控制的变换器以及数字补偿器都可假设为连续时间域系统，所以直接数字化的设计可利用模拟控制时频域下的设计指标。本章还提到电压模式、电流模式、多环控制的DC-DC变换器以及功率因数校正(PFC)整流器中标准的数字比例积分(PI)补偿器和比例积分微分(PID)补偿器的设计。
　　第5章介绍了模-数(A/D)转换器的幅度量化误差和数字脉宽调制（DPWM）。数字控制的DC-DC变换器是闭环系统，且存在直流工作点。本章开始部分阐述了该系统中的极限环振荡出现的原因。其次，为避免这种现象的发生，提出了无极限环振荡的条件并给出基本的设计指导建议。本章最后简要概述了DPWM和A/D的结构以及如何实现相关平衡。
　　第6章介绍了如何实现数字补偿器。首先要考虑补偿器系数的缩放和量化，确定环路幅值增益的误差和穿越频率处的相位误差。其次论述了如何在定点运算环境下实现控制规律，并且提出在控制结构中确定不同信号的字长的方法。考虑到本书重点在于数字控制在高频开关变换器中的应用，本章重点介绍了控制规律的实现过程，并附有VHDL或Verilog硬件语言例程。本书同样也关注在软件中、在微处理器上如何实现这些控制规律。
　　数字控制的优点在于可自整定，这既有潜力又有挑战。由于这个问题的重要性，故第7章总结了高频开关变换器的数字自整定技术。在简单讨论了数字自整定的基础后，详细提出了两种自整定技术：注入式和继电器式。
　　《高频开关变换器的数字控制》的目的旨在重点强调数字控制系统设计中的基本理论问题和实际应用技术之间的区别，以便消除离散建模或数字控制理论难以理解和实际应用十分困难的困惑。基于这一想法，本书在理论推导的同时给出了Matlab说明实例。在大多数情况下，几条Matlab命令就能直接完成系统级补偿器的设计，并将结果快速地转化为HDL代码和实施步骤。此外，设计案例贯穿于全书，并在Matlab环境中得到仿真验证。

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