簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 詹程傑
CHENG-CHIEH CHAN
論文名稱: 以FPGA為基礎之數位電力轉換器設計與研製
Design and Implementation of an FPGA-Based Controller for Digital Power Converter
指導教授: 劉益華
Yi-Hua Liu
口試委員: 羅有綱
Yu-Kang Lo
鄧人豪
Jen-Hao Teng
王順忠
Shun-Chung Wang
郭見隆
Jian-Lung Kuo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 105
中文關鍵詞: 比例積分控制器模糊比例積分控制器數學公式型模糊比例積分控制器
外文關鍵詞: Proportional-Integral Controller, Fuzzy PI Controller, Formula-Type Fuzzy PI Controller
相關次數: 點閱:202下載:11
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 摘要
    近年來,電力電子逐漸由類比控制方式趨向數位控制方式。本文將以數位電源的控制做為主軸,比較傳統數位控制器以及加入模糊控制之數位控制器在直流/直流降壓式轉換器,操作於連續導通模式與非連續導通模式下之暫態特性。本文所實現之數位控制器使用現場可程式規劃閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)為主體,以硬體描述語言(VHSIC Hardware Description Language,VHDL)撰寫控制程式,將類比電路數位化。由於傳統控制多以比例積分控制器為主,其優點為設計方式簡單、具可靠性和穩定性高。然而,在受控體數學模型不易推導或受控體為非線性系統時,比例積分控制器在控制特性上效果不彰。因此,本文將模糊控制方式應用於非線性系統上,並比較傳統數位比例積分控制器與模糊比例積分控制器暫態特性。為了避免模糊控制器程式計算時間過長,導致控制性能不佳,本文以數學公式型模糊比例積分控制器,將模糊化、規則庫、解模糊化之流程簡化,利用MATLAB/SIMULINK模擬其特性,取代傳統模糊比例積分控制器,並利用FPGA計算速度快之特性,加入高階之數位濾波器以降低電路開關雜訊及干擾。最後,利用完成之控制器於直流/直流降壓式轉換器並比較控制器之特性。


    For years, power supplies have been designed using analog circuit design techniques. However, an area gaining significant industry attention today is the application of digital technology to power supply control. In this thesis, two digital control methods for DC/DC converters are implemented and tested. The hardware and firmware parts of the proposed system are described in detail. The power converter utilized in this thesis is a simple buck converter, and the digital controller is implemented using a FPGA from Xilinx corp.
    For DC/DC converter control, the PI controller is popular because it’s simple and it provides good performance in most systems. However, their performance will be deteriorated if the controlled system becomes nonlinear. Fuzzy PI controllers are generally superior to the conventional ones, particularly for higher-order, time-delayed, and nonlinear systems. However, their design methods are slightly more advanced and their resulting formulas are somewhat more complicated. In this thesis, a formula-type fuzzy PI controller is presented. It can be seen that although the presented fuzzy PI controllers are designed by fuzzy mathematics, their final form are conventional controllers. Therefore, they can be used to directly replace the conventional ones in applications and can be easily implemented. In this thesis, these two classes of PI controllers are compared and their advantages as well as limitations are also discussed in detail. Simulation and experimental results are provided to verify the correctness of the proposed system.

    摘要 I Abstract II 目錄 IV 圖目錄 IV 表目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2系統描述與研究方法 1 1.3論文大網 2 第二章 數位電源應用簡述與控制理論概述 4 2.1 數位電源與類比電源之優缺點比較 4 2.2 數位電源控制方式概述 6 2.3 PI控制理論概述 7 2.4 FUZZY控制理論概述 8 2.5數位PI與模糊PI控制器推導 9 2.5.1 推導數位PI控制器 9 2.5.2 推導數位模糊PI控制器 12 第三章 MATLAB SIMULINK控制器模擬 18 3.1控制器模擬 18 3.2 FUZZY控制器模擬 20 3.2.1數學式FUZZY模擬模型建製與驗證 20 3.2.2 FUZZY模擬控制比較 25 3.3 控制器模擬比較 27 第四章FPGA數位硬體架構與控制程式設計及驗證 29 4.1 FPGA數位電路設計概論前言 29 4.2 ADC7841之介面程式VHDL設計流程與驗證 32 4.2.1 IC-ADC7841概述及硬體設定 32 4.2.2 SPI串列傳輸時序流程與程式設計架構 33 4.2.3 Test Bench(內部)與邏輯分析儀(外部) 驗證 37 4.2.4 ADC7841程式驗證與波形 38 4.3實現數位式濾波器 41 4.3.1數位濾波器簡介 41 4.3.2有限脈衝響應濾波器設計 43 4.3.3 Xilinx IP Core Generator概述 44 4.3.4 應用MATLAB FDATOOL設計規格與流程 45 4.3.5 數位濾波器設計與DAC LTC-2407驗證 48 4.4 離散PI控制器與數位PI控制器設計 51 4.5 模糊PI控制器設計 53 第五章 直流/直流降壓式轉換器研製 63 5.1 連續導通模式之直流/直流降壓式轉換器 63 5.2 連續導通模式之直流降壓式轉換器小訊號模型推導 68 5.3 不連續導通模式之直流/直流降壓式轉換器 72 5.4 不連續導通模式之直流降壓式轉換器小訊號模型推導 76 5.5 直流降壓式轉換器參數設計 80 5.5.1 CCM之直流降壓式轉換器參數設計 80 5.5.2 DCM模式之直流降壓式轉換器參數設計 81 5.6 操作於DCM模式之直流降壓式轉換器PI補償器設計 82 5.7 直流降壓式轉換器硬體架構 86 第六章 實驗數據與波形 90 6.1 CCM直流降壓器實驗波形圖 90 6.1.1 離散式PI 控制器 91 6.1.2 數位PI 控制器 92 6.1.3 模糊PI 控制器 94 6.1.4 操作於CCM模式之降壓式轉換器之控制器比較 95 6.2 DCM直流降壓器實驗波形圖 97 6.2.1 數位PI控制器 97 6.2.2 模糊PI控制器 99 6.2.3 操作於DCM降壓式轉換器之控制器比較 100 第七章 結論與未來研究方向 104 7.1 結論 104 7.2 未來研究方向 105

    參考文獻
    [1]S. Buso, and P. Mattavelli, “Digital Control in Power Electronics,” Morgan & Claypool Publishers, 2006.
    [2]劉金琨,「先進PID控制MATLAB仿真」第二版,電子工業出版社,2007年。
    [3]王進德、蕭大全,「類神經網路與模糊控制理論入門」,全華科技圖書股份有限公司,2004年。
    [4]孫宗瀛、楊英魁,「Fuzzy 控制理論實作與應用」修訂版,全華科技圖書股份有限公司,2007 年。
    [5]G. Chen, and T. T. Pham,” Introduction To Fuzzy Sets, Fuzzy Logic,And Fuzzy Control Systems,” CRC, 2000.
    [6]李宜達,「控制系統設計與模擬 使用MATLAB/SINULINK」,全華圖書,2008 年。
    [7]鈦思科技,「視覺化建模環境 Simulink入門與進階」,鈦思科技股份有限公司,2001年。
    [8]鄭群星,「FPGA/CPLD數位晶片設計入門使用XILINX ISE發展系統」,全華圖書,民國96年。
    [9]Xilinx,” Spartan-3 Generation FPGA User Guide” Data Sheet, Preliminary,2008.
    [10]Xilinx,” Spartan-3 Generation Configuration User Guide for Spartan-3A, Spartan-3E And Spartan-3 FPGA Family”, Data Sheet,Preliminary,2008.
    [11]Xilinx,” Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide” Data Sheet, Preliminary,2008.
    [12]Xilinx,” ISE In-Depth Tutorial”, Data Sheet, Preliminary,2008.
    [13]Texas Instrument,” 12-Bit, 4-Channel Serial Output Sampling Analogy To Digital Converter” Data Sheet, Preliminary,1998.
    [14]Xilinx,”Configuring Xilinx FPGAs with SPI Serial Flash”,Data Sheet,Preliminary,2007.
    [15]Acute,”TravelLogic series 4 GHz Logic Analyzer”, Data sheet Preliminary,2007.
    [16]Acute,” Logic Analyzer Tutorial”, Data sheet Preliminary,2007.
    [17]MOTECH,” PPS series user manual”, Data sheet Preliminary,2009.
    [18]MOTECH,” PPS1200GSM”, Data sheet Preliminary,2009.
    [19]翁維德,「場色序法結合區域調光之RGB LED背光模組驅動電源系統」,台灣科技大學電機工程系,民國97年。
    [20]賴文能、林國祥、高志暐,「數位信號處理」第三版,高立圖書有限公司,2007年。
    [21]羅華強,「訊號處理 MATLAB的應用」第二版,全華圖書,2008.
    [22]Xilinx,” Logic Core FIR Compiler v3.2” , Data Sheet, Preliminary,2007.
    [23]Linear Technology,”LTC2624 12Bits Digital To Analogy Converter” Data Sheet, Preliminary,2004.
    [24]Ian Grout,”Digital Systems Design With FPGAS And CPLDS” ELSEVIER,2007.
    [25]陳慶逸、林柏辰,「VHDL 數位電路實習與專題設計」,文魁資訊股份有限公司,民國92年。
    [26]李雲松、宋銳、雷杰、杜建超,「Xilinx FPGA 設計基礎 VHDL版」,西安科技大學出版社,2008.
    [27]N. Mohan, T. M. Undeland, W. Robbins, “Power Electronics Converters Application and Design,” 3rd Edition, 2003.
    [28]R. W. Erickson and D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics Second Edition,” SCI-TECH Publishing Co. Ltd.
    [29]J.Bhasker,”VHDL Primer”Third Edition,Prentice Hall PTR,1992.
    [30]G. Chen, and T. T. Pham,” Introduction To Fuzzy Sets, Fuzzy Logic,And Fuzzy Control Systems,” CRC, 2000

    QR CODE