《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》全面地介紹了開(kāi)關(guān)功率變換器的數(shù)字控制。 第1章簡(jiǎn)介了開(kāi)關(guān)變換器連續(xù)時(shí)間域經(jīng)典的平均狀態(tài)建模方法。第2章介紹了數(shù)字控制的基本結(jié)構(gòu)。第3章介紹了開(kāi)關(guān)變換器離散域直接建模的方法并得到z域的小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，第4章介紹了如何直接設(shè)計(jì)數(shù)字補(bǔ)償器。第5章介紹了模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的幅度量化誤差和數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器（DPWM）。第6章介紹了數(shù)字補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)。后,第7章介紹了整定技術(shù)。
《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》可為從事電力電子或數(shù)字控制的相關(guān)研究和應(yīng)用的工程技術(shù)人員提供參考，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的研究生教材使用。
適讀人群：從事電力電子或數(shù)字控制的相關(guān)研究和應(yīng)用的工程技術(shù)人員，高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生
《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》一書(shū)聚焦于高頻開(kāi)關(guān)變換器的分析、建模和數(shù)字控制環(huán)路設(shè)計(jì)。本書(shū)圍繞功率變換器展開(kāi)敘述，旨在讓讀者理解功率變換器，分析功率變換器，能對(duì)功率變換器進(jìn)行建模，并進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)數(shù)字環(huán)路控制。本書(shū)覆蓋了系統(tǒng)級(jí)傳遞函數(shù)至實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。本書(shū)提供了理論和實(shí)際例程。后續(xù)部分還廣泛采用了Matlab仿真并提供仿真例程。
本書(shū)的特點(diǎn)如下：
1)功率變換器的數(shù)字控制理論；
2)Verilog和VHDL代碼；
3)數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)實(shí)例。
《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》全面覆蓋了數(shù)字控制的理論和實(shí)際設(shè)計(jì)，并且關(guān)注了基礎(chǔ)和前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。
原書(shū)前言
在連續(xù)時(shí)域分析、開(kāi)關(guān)變換器的平均模型和模擬控制理論等框架內(nèi)，人們已經(jīng)建立電力電子學(xué)基礎(chǔ)［1-5］。然而，電力電子變換器的控制和管理功能逐步趨于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，使其基礎(chǔ)研究領(lǐng)域延伸至離散時(shí)間建模域和數(shù)字控制技術(shù)。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字控制的教科書(shū)和課程通常介紹了基礎(chǔ)知識(shí)，但并未提供深入理解和涉及基于數(shù)字控制功率變換器的特殊知識(shí)。本書(shū)試圖填補(bǔ)這一空白，將系統(tǒng)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟榻B基于數(shù)字控制的高頻開(kāi)關(guān)變換器的基礎(chǔ)知識(shí)�！陡哳l開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》的目標(biāo)是使讀者能夠理解、分析、建模、設(shè)計(jì)功率變換器的數(shù)字控制環(huán)。其內(nèi)容涵蓋了從系統(tǒng)級(jí)傳遞函數(shù)到采用主流硬件描述語(yǔ)言（HDL）如VHDL或者Verilog的實(shí)際設(shè)計(jì)。
《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》可作為主修電力電子課程的電氣工程研究生的教科書(shū)或者作為研究數(shù)字控制的功率變換器的工程師和研究人員的參考書(shū)。《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》假定讀者已經(jīng)熟悉電力電子的基本規(guī)律以及連續(xù)時(shí)間域建模方法和控制技術(shù)。熟悉采樣系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)的分析有助于理解本書(shū)，但這些知識(shí)點(diǎn)不是必需的。本書(shū)的開(kāi)始部分會(huì)對(duì)這些重要的概念進(jìn)行介紹，此外附錄A也總結(jié)了離散時(shí)間系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于一些更加復(fù)雜的研究背景，讀者可參考一些教科書(shū)，例如參考文獻(xiàn)[7，8]。
《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》結(jié)構(gòu)如下：導(dǎo)論概述了數(shù)字控制的高頻開(kāi)關(guān)變換器，闡述了研究熱點(diǎn)背后的動(dòng)機(jī)，小結(jié)了當(dāng)前關(guān)于該領(lǐng)域分析、建模、控制和實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，總結(jié)了目前數(shù)字控制器的優(yōu)點(diǎn)（友好的系統(tǒng)能量管理接口，控制功能可編程實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)和效率的提升，實(shí)用的自整定技術(shù)）。
第1章回顧了開(kāi)關(guān)變換器連續(xù)時(shí)間域平均狀態(tài)建模方法。許多專業(yè)圖書(shū)都介紹了平均小信號(hào)建模方法，這部分內(nèi)容并不是簡(jiǎn)單的重復(fù)，而是意在重點(diǎn)介紹平均小信號(hào)建模方法背后的建模方法和假設(shè)條件。了解平均建模方法的原理和約束條件有助于理解對(duì)數(shù)字控制的功率變換器建模時(shí)需要不同的建模方法。
第2章介紹了數(shù)字控制的變換器中的關(guān)鍵器件，這使得讀者無(wú)須關(guān)注建模的細(xì)節(jié)就能快速了解模擬控制和數(shù)字控制的區(qū)別。本章結(jié)尾討論了采用連續(xù)時(shí)間域平均模型設(shè)計(jì)數(shù)字環(huán)路的方法，在實(shí)際工程中常采用這種方法，但是這種方法是一種近似方法，僅考慮了采樣影響和數(shù)字控制延遲。
第3章介紹離散域建模的方法，將數(shù)字控制的變換器視為一個(gè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，推導(dǎo)z域而不是s域下的小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型。此外，本章討論了一些建模實(shí)例，以便建立離散時(shí)域建模的理論框架。本章進(jìn)一步建立了連續(xù)時(shí)間建模與離散建模之間的變換關(guān)系。這個(gè)變換關(guān)系與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單直接向前離散化公式，將變換器的平均小信號(hào)模型轉(zhuǎn)化為精確的離散時(shí)間域模型。
第4章在第3章提出的離散時(shí)間域模型基礎(chǔ)上分析了如何直接設(shè)計(jì)數(shù)字補(bǔ)償器。有關(guān)文獻(xiàn)介紹了很多設(shè)計(jì)方法，本書(shū)重點(diǎn)介紹了雙線性變換法。這種方法的最大的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程類似連續(xù)時(shí)間域的設(shè)計(jì)過(guò)程，數(shù)字控制的變換器以及數(shù)字補(bǔ)償器都可假設(shè)為連續(xù)時(shí)間域系統(tǒng)，所以直接數(shù)字化的設(shè)計(jì)可利用模擬控制時(shí)頻域下的設(shè)計(jì)指標(biāo)。本章還提到電壓模式、電流模式、多環(huán)控制的DC-DC變換器以及功率因數(shù)校正(PFC)整流器中標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字比例積分(PI)補(bǔ)償器和比例積分微分(PID)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)。
第5章介紹了模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的幅度量化誤差和數(shù)字脈寬調(diào)制（DPWM）。數(shù)字控制的DC-DC變換器是閉環(huán)系統(tǒng)，且存在直流工作點(diǎn)。本章開(kāi)始部分闡述了該系統(tǒng)中的極限環(huán)振蕩出現(xiàn)的原因。其次，為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，提出了無(wú)極限環(huán)振蕩的條件并給出基本的設(shè)計(jì)指導(dǎo)建議。本章最后簡(jiǎn)要概述了DPWM和A/D的結(jié)構(gòu)以及如何實(shí)現(xiàn)相關(guān)平衡。
第6章介紹了如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償器。首先要考慮補(bǔ)償器系數(shù)的縮放和量化，確定環(huán)路幅值增益的誤差和穿越頻率處的相位誤差。其次論述了如何在定點(diǎn)運(yùn)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律，并且提出在控制結(jié)構(gòu)中確定不同信號(hào)的字長(zhǎng)的方法�？紤]到本書(shū)重點(diǎn)在于數(shù)字控制在高頻開(kāi)關(guān)變換器中的應(yīng)用，本章重點(diǎn)介紹了控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并附有VHDL或Verilog硬件語(yǔ)言例程。本書(shū)同樣也關(guān)注在軟件中、在微處理器上如何實(shí)現(xiàn)這些控制規(guī)律。
數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)在于可自整定，這既有潛力又有挑戰(zhàn)。由于這個(gè)問(wèn)題的重要性，故第7章總結(jié)了高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字自整定技術(shù)。在簡(jiǎn)單討論了數(shù)字自整定的基礎(chǔ)后，詳細(xì)提出了兩種自整定技術(shù)：注入式和繼電器式。
《高頻開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制》的目的旨在重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本理論問(wèn)題和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)之間的區(qū)別，以便消除離散建�；驍�(shù)字控制理論難以理解和實(shí)際應(yīng)用十分困難的困惑�；谶@一想法，本書(shū)在理論推導(dǎo)的同時(shí)給出了Matlab說(shuō)明實(shí)例。在大多數(shù)情況下，幾條Matlab命令就能直接完成系統(tǒng)級(jí)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，并將結(jié)果快速地轉(zhuǎn)化為HDL代碼和實(shí)施步驟。此外，設(shè)計(jì)案例貫穿于全書(shū)，并在Matlab環(huán)境中得到仿真驗(yàn)證。
Luca Corradini博士，意大利帕多瓦大學(xué)電氣工程副教授。Corradini博士作為合著者發(fā)表了超過(guò)50篇的期刊和會(huì)議論文。
Dragan Maksimovi?博士，美國(guó)科羅拉多大學(xué)波爾得分校Charles V. Schelke講席教授，科羅拉多電力電子研究中心（CoPEC）主任。
Paolo Mattavelli博士，意大利帕多瓦大學(xué)電氣工程教授。Mattavelli博士的主要研究領(lǐng)域?yàn)楣β首儞Q器的分析、建模和控制。
Regan Zane博士，美國(guó)猶他州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授。Zane博士因在節(jié)能照明系統(tǒng)方面所做的工作于2004年獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)職業(yè)成就獎(jiǎng)（NSF Career Award）。
目錄
譯者序
原書(shū)前言
導(dǎo)論1
第1章DC-DC變換器的連續(xù)平均建模9
1.1PWM變換器9
1.2變換器的穩(wěn)態(tài)11
1.2.1升壓變換器舉例12
1.2.2開(kāi)關(guān)紋波估計(jì)13
1.2.3基本變換器的電壓轉(zhuǎn)換比14
1.3變換器的動(dòng)態(tài)和控制15
1.3.1變換器的平均和線性化16
1.3.2脈沖寬度調(diào)制器的建模18
1.3.3系統(tǒng)環(huán)路增益19
1.3.4基本變換器的平均小信號(hào)建模20
1.4狀態(tài)空間平均法21
1.4.1變換器的靜態(tài)工作點(diǎn)21
1.4.2平均小信號(hào)狀態(tài)方程模型22
1.4.3升壓變換器舉例23
1.5設(shè)計(jì)實(shí)例24
1.5.1電壓模式控制的同步降壓變換器25
1.5.2平均電流模式控制的升壓變換器32
1.6占空比d［k］和d(t)36
1.7要點(diǎn)總結(jié)37
第2章數(shù)字控制環(huán)路38
2.1實(shí)例學(xué)習(xí)：電壓模式的數(shù)字控制38
2.2A/D轉(zhuǎn)換39
2.2.1抽樣速率39
2.2.2幅值量化42
2.3A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字補(bǔ)償器43
2.4數(shù)字PWM（DPWM）46
2.5環(huán)路中的延遲48
2.5.1控制延遲48
2.5.2調(diào)制延遲49
2.5.3整個(gè)環(huán)路延遲51
2.6數(shù)字控制設(shè)計(jì)中使用平均模型52
2.6.1平均模型的局限性52
2.6.2數(shù)字控制的變換器的平均模型54
2.7要點(diǎn)總結(jié)57
第3章離散時(shí)間建模58
3.1離散時(shí)間小信號(hào)建模58
3.1.1入門(mén)實(shí)例：開(kāi)關(guān)電感60
3.1.2一般情況63
3.1.3用于PWM的基本類型的離散時(shí)間模型64
3.2離散時(shí)間模型實(shí)例66
3.2.1同步降壓變換器66
3.2.2升壓變換器72
3.3時(shí)不變拓?fù)涞碾x散時(shí)間建模76
3.3.1離散時(shí)間建模的等價(jià)性78
3.3.2與修正Z變換的關(guān)系80
3.3.3Tu(z)的計(jì)算80
3.3.4降壓變換器實(shí)例83
3.4基本Matlab的變換器的離散時(shí)間建模83
3.5要點(diǎn)總結(jié)87
第4章數(shù)字控制88
4.1系統(tǒng)級(jí)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)88
4.1.1采用雙線性變換法直接設(shè)計(jì)89
4.1.2在z域和p域的數(shù)字PID補(bǔ)償器91
4.2設(shè)計(jì)例程94
4.2.1電壓控制模式時(shí)同步降壓變換器的數(shù)字控制94
4.2.2電流控制模式時(shí)升壓變換器的數(shù)字控制100
4.2.3多環(huán)控制模式時(shí)同步降壓變換器的數(shù)字控制102
4.2.4升壓功率因數(shù)校正器105
4.3變換器的其他傳遞函數(shù)117
4.4驅(qū)動(dòng)器飽和與積分抗飽和措施120
4.5要點(diǎn)總結(jié)124
第5章幅值量化126
5.1系統(tǒng)量化126
5.1.1A/D轉(zhuǎn)換器127
5.1.2DPWM量化128
5.2穩(wěn)態(tài)時(shí)的解129
5.3無(wú)極限環(huán)的條件131
5.3.1DPWM與A/D分辨率132
5.3.2積分增益134
5.3.3動(dòng)態(tài)量化效應(yīng)136
5.4DPWM和A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)技術(shù)137
5.4.1DPWM硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)137
5.4.2通過(guò)Σ-Δ調(diào)制有效改進(jìn)DPWM的分辨率141
5.4.3A/D轉(zhuǎn)換器142
5.5要點(diǎn)總結(jié)143
第6章補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)144
6.1PID補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)146
6.2系數(shù)的縮放和量化148
6.2.1系數(shù)的縮放149
6.2.2系數(shù)的量化151
6.3電壓控制模式實(shí)例：系數(shù)量化153
6.3.1并聯(lián)結(jié)構(gòu)154
6.3.2直接結(jié)構(gòu)156
6.3.3級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)157
6.4定點(diǎn)控制器的實(shí)現(xiàn)161
6.4.1有效的動(dòng)態(tài)范圍和硬件的動(dòng)態(tài)范圍162
6.4.2信號(hào)的上限和L1范數(shù)163
6.5電壓控制模式實(shí)例：定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)164
6.5.1并聯(lián)實(shí)現(xiàn)166
6.5.2直接實(shí)現(xiàn)169
6.5.3級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)171
6.5.4線性系統(tǒng)和量化后的系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)比174
6.6控制器的HDL實(shí)現(xiàn)175
6.6.1VHDL實(shí)例175
6.6.2Verilog實(shí)例178
6.7要點(diǎn)總結(jié)179
第7章數(shù)字控制的自整定180
7.1自整定技術(shù)簡(jiǎn)介180
7.2可編程的PID結(jié)構(gòu)181
7.3通過(guò)注入數(shù)字?jǐn)_動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)自整定184
7.3.1工作原理185
7.3.2PD自整定的實(shí)現(xiàn)188
7.3.3仿真實(shí)例190
7.3.4PD自整定環(huán)路的小信號(hào)分析192
7.4基于繼電器反饋的數(shù)字自整定197
7.4.1工作原理198
7.4.2數(shù)字式繼電器反饋的實(shí)現(xiàn)199
7.4.3仿真實(shí)例202
7.5實(shí)現(xiàn)問(wèn)題203
7.6要點(diǎn)總結(jié)204
附錄205
附錄A離散時(shí)間線性系統(tǒng)和Z變換205
A.1差分方程205
A.1.1強(qiáng)迫響應(yīng)206
A.1.2自由響應(yīng)207
A.1.3脈沖響應(yīng)和系統(tǒng)的模208
A.1.4模的漸進(jìn)特性209
A.1.5更多實(shí)例209
A.2Z變換210
A.2.1定義210
A.2.2性質(zhì)210
A.3傳遞函數(shù)212
A.3.1穩(wěn)定性212
A.3.2頻率響應(yīng)212
A.4狀態(tài)空間表達(dá)式213
附錄B定點(diǎn)算法和HDL編碼214
B.1截?cái)嗖僮骱徒財(cái)嗾`差214
B.2浮點(diǎn)和定點(diǎn)算術(shù)系統(tǒng)215
B.3二進(jìn)制補(bǔ)碼（B2C）的定點(diǎn)表示216
B.4信號(hào)表示218
B.5B2C數(shù)的操作以及HDL實(shí)例219
B.5.1符號(hào)擴(kuò)展219
B.5.2對(duì)齊220
B.5.3符號(hào)取反221
B.5.4LSB和MSB截?cái)?22
B.5.5加法和減法223
B.5.6乘法225
B.5.7溢出檢測(cè)和飽和運(yùn)算225
附錄C規(guī)則采樣脈沖寬度調(diào)制器的小信號(hào)相位滯后230
C.1后沿調(diào)制器231
C.2前沿調(diào)制器234
C.3對(duì)稱調(diào)制器234
參考文獻(xiàn)236
書(shū)單推薦
