《高頻開關(guān)變換器的數(shù)字控制》全面地介紹了開關(guān)功率變換器的數(shù)字控制。 第1章簡介了開關(guān)變換器連續(xù)時間域經(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章介紹了開關(guān)變換器離散域直接建模的方法并得到z域的小信號動態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，第4章介紹了如何直接設(shè)計數(shù)字補償器。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)字補償器的實現(xiàn)。后,第7章介紹了整定技術(shù)。
《高頻開關(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)學生
《高頻開關(guān)變換器的數(shù)字控制》一書聚焦于高頻開關(guān)變換器的分析、建模和數(shù)字控制環(huán)路設(shè)計。本書圍繞功率變換器展開敘述，旨在讓讀者理解功率變換器，分析功率變換器，能對功率變換器進行建模，并進行設(shè)計及實現(xiàn)數(shù)字環(huán)路控制。本書覆蓋了系統(tǒng)級傳遞函數(shù)至實際工程實現(xiàn)的全過程。本書提供了理論和實際例程。后續(xù)部分還廣泛采用了Matlab仿真并提供仿真例程。
本書的特點如下：
1)功率變換器的數(shù)字控制理論；
2)Verilog和VHDL代碼；
3)數(shù)字補償器設(shè)計實例。
《高頻開關(guān)變換器的數(shù)字控制》全面覆蓋了數(shù)字控制的理論和實際設(shè)計，并且關(guān)注了基礎(chǔ)和前沿熱點問題。
原書前言
在連續(xù)時域分析、開關(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)字化實現(xiàn)，使其基礎(chǔ)研究領(lǐng)域延伸至離散時間建模域和數(shù)字控制技術(shù)。動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字控制的教科書和課程通常介紹了基礎(chǔ)知識，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。本書試圖填補這一空白，將系統(tǒng)而嚴謹?shù)亟榻B基于數(shù)字控制的高頻開關(guān)變換器的基礎(chǔ)知識。《高頻開關(guān)變換器的數(shù)字控制》的目標是使讀者能夠理解、分析、建模、設(shè)計功率變換器的數(shù)字控制環(huán)。其內(nèi)容涵蓋了從系統(tǒng)級傳遞函數(shù)到采用主流硬件描述語言（HDL）如VHDL或者Verilog的實際設(shè)計。
《高頻開關(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�！陡哳l開關(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)時間域建模方法和控制技術(shù)。熟悉采樣系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)的分析有助于理解本書，但這些知識點不是必需的。本書的開始部分會對這些重要的概念進行介紹，此外附錄A也總結(jié)了離散時間系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識點。對于一些更加復雜的研究背景，讀者可參考一些教科書，例如參考文獻[7，8]。
《高頻開關(guān)變換器的數(shù)字控制》結(jié)構(gòu)如下：導論概述了數(shù)字控制的高頻開關(guān)變換器，闡述了研究熱點背后的動機，小結(jié)了當前關(guān)于該領(lǐng)域分析、建模、控制和實現(xiàn)的現(xiàn)狀，總結(jié)了目前數(shù)字控制器的優(yōu)點（友好的系統(tǒng)能量管理接口，控制功能可編程實現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)和效率的提升，實用的自整定技術(shù)）。
第1章回顧了開關(guān)變換器連續(xù)時間域平均狀態(tài)建模方法。許多專業(yè)圖書都介紹了平均小信號建模方法，這部分內(nèi)容并不是簡單的重復，而是意在重點介紹平均小信號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數(shù)字控制的功率變換器建模時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，這使得讀者無須關(guān)注建模的細節(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)時間域平均模型設(shè)計數(shù)字環(huán)路的方法，在實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數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，推導z域而不是s域下的小信號動態(tài)模型。此外，本章討論了一些建模實例，以便建立離散時域建模的理論框架。本章進一步建立了連續(xù)時間建模與離散建模之間的變換關(guān)系。這個變換關(guān)系與拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)。介紹了一個簡單直接向前離散化公式，將變換器的平均小信號模型轉(zhuǎn)化為精確的離散時間域模型。
第4章在第3章提出的離散時間域模型基礎(chǔ)上分析了如何直接設(shè)計數(shù)字補償器。有關(guān)文獻介紹了很多設(shè)計方法，本書重點介紹了雙線性變換法。這種方法的最大的優(yōu)點是整個設(shè)計過程類似連續(xù)時間域的設(shè)計過程，數(shù)字控制的變換器以及數(shù)字補償器都可假設(shè)為連續(xù)時間域系統(tǒng)，所以直接數(shù)字化的設(shè)計可利用模擬控制時頻域下的設(shè)計指標。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)整流器中標準的數(shù)字比例積分(PI)補償器和比例積分微分(PID)補償器的設(shè)計。
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。本章開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，提出了無極限環(huán)振蕩的條件并給出基本的設(shè)計指導建議。本章最后簡要概述了DPWM和A/D的結(jié)構(gòu)以及如何實現(xiàn)相關(guān)平衡。
第6章介紹了如何實現(xiàn)數(shù)字補償器。首先要考慮補償器系數(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運算環(huán)境下實現(xiàn)控制規(guī)律，并且提出在控制結(jié)構(gòu)中確定不同信號的字長的方法。考慮到本書重點在于數(shù)字控制在高頻開關(guān)變換器中的應(yīng)用，本章重點介紹了控制規(guī)律的實現(xiàn)過程，并附有VHDL或Verilog硬件語言例程。本書同樣也關(guān)注在軟件中、在微處理器上如何實現(xiàn)這些控制規(guī)律。
數(shù)字控制的優(yōu)點在于可自整定，這既有潛力又有挑戰(zhàn)。由于這個問題的重要性，故第7章總結(jié)了高頻開關(guān)變換器的數(shù)字自整定技術(shù)。在簡單討論了數(shù)字自整定的基礎(chǔ)后，詳細提出了兩種自整定技術(shù)：注入式和繼電器式。
《高頻開關(guān)變換器的數(shù)字控制》的目的旨在重點強調(diào)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計中的基本理論問題和實際應(yīng)用技術(shù)之間的區(qū)別，以便消除離散建模或數(shù)字控制理論難以理解和實際應(yīng)用十分困難的困惑�；谶@一想法，本書在理論推導的同時給出了Matlab說明實例。在大多數(shù)情況下，幾條Matlab命令就能直接完成系統(tǒng)級補償器的設(shè)計，并將結(jié)果快速地轉(zhuǎn)化為HDL代碼和實施步驟。此外，設(shè)計案例貫穿于全書，并在Matlab環(huán)境中得到仿真驗證。
Luca Corradini博士，意大利帕多瓦大學電氣工程副教授。Corradini博士作為合著者發(fā)表了超過50篇的期刊和會議論文。
Dragan Maksimovi?博士，美國科羅拉多大學波爾得分校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，意大利帕多瓦大學電氣工程教授。Mattavelli博士的主要研究領(lǐng)域為功率變換器的分析、建模和控制。
Regan Zane博士，美國猶他州立大學電氣與計算機工程教授。Zane博士因在節(jié)能照明系統(tǒng)方面所做的工作于2004年獲得美國國家科學基金會職業(yè)成就獎（NSF Career Award）。
目錄
譯者序
原書前言
導論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開關(guān)紋波估計13
1.2.3基本變換器的電壓轉(zhuǎn)換比14
1.3變換器的動態(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21
1.4.2平均小信號狀態(tài)方程模型22
1.4.3升壓變換器舉例23
1.5設(shè)計實例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要點總結(jié)37
第2章數(shù)字控制環(huán)路38
2.1實例學習：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整個環(huán)路延遲51
2.6數(shù)字控制設(shè)計中使用平均模型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要點總結(jié)57
第3章離散時間建模58
3.1離散時間小信號建模58
3.1.1入門實例：開關(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間模型64
3.2離散時間模型實例66
3.2.1同步降壓變換器66
3.2.2升壓變換器72
3.3時不變拓撲的離散時間建模76
3.3.1離散時間建模的等價性78
3.3.2與修正Z變換的關(guān)系80
3.3.3Tu(z)的計算80
3.3.4降壓變換器實例83
3.4基本Matlab的變換器的離散時間建模83
3.5要點總結(jié)87
第4章數(shù)字控制88
4.1系統(tǒng)級補償器的設(shè)計88
4.1.1采用雙線性變換法直接設(shè)計89
4.1.2在z域和p域的數(shù)字PID補償器91
4.2設(shè)計例程94
4.2.1電壓控制模式時同步降壓變換器的數(shù)字控制94
4.2.2電流控制模式時升壓變換器的數(shù)字控制100
4.2.3多環(huán)控制模式時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)動器飽和與積分抗飽和措施120
4.5要點總結(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)時的解129
5.3無極限環(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動態(tài)量化效應(yīng)136
5.4DPWM和A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)技術(shù)137
5.4.1DPWM硬件實現(xiàn)技術(shù)137
5.4.2通過Σ-Δ調(diào)制有效改進DPWM的分辨率141
5.4.3A/D轉(zhuǎn)換器142
5.5要點總結(jié)143
第6章補償器的實現(xiàn)144
6.1PID補償器的實現(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級聯(lián)結(jié)構(gòu)157
6.4定點控制器的實現(xiàn)161
6.4.1有效的動態(tài)范圍和硬件的動態(tài)范圍162
6.4.2信號的上限和L1范數(shù)163
6.5電壓控制模式實例：定點實現(xiàn)164
6.5.1并聯(lián)實現(xiàn)166
6.5.2直接實現(xiàn)169
6.5.3級聯(lián)實現(xiàn)171
6.5.4線性系統(tǒng)和量化后的系統(tǒng)響應(yīng)對比174
6.6控制器的HDL實現(xiàn)175
6.6.1VHDL實例175
6.6.2Verilog實例178
6.7要點總結(jié)179
第7章數(shù)字控制的自整定180
7.1自整定技術(shù)簡介180
7.2可編程的PID結(jié)構(gòu)181
7.3通過注入數(shù)字擾動信號實現(xiàn)自整定184
7.3.1工作原理185
7.3.2PD自整定的實現(xiàn)188
7.3.3仿真實例190
7.3.4PD自整定環(huán)路的小信號分析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現(xiàn)199
7.4.3仿真實例202
7.5實現(xiàn)問題203
7.6要點總結(jié)204
附錄205
附錄A離散時間線性系統(tǒng)和Z變換205
A.1差分方程205
A.1.1強迫響應(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模的漸進特性209
A.1.5更多實例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)空間表達式213
附錄B定點算法和HDL編碼214
B.1截斷操作和截斷誤差214
B.2浮點和定點算術(shù)系統(tǒng)215
B.3二進制補碼（B2C）的定點表示216
B.4信號表示218
B.5B2C數(shù)的操作以及HDL實例219
B.5.1符號擴展219
B.5.2對齊220
B.5.3符號取反221
B.5.4LSB和MSB截斷222
B.5.5加法和減法223
B.5.6乘法225
B.5.7溢出檢測和飽和運算225
附錄C規(guī)則采樣脈沖寬度調(diào)制器的小信號相位滯后230
C.1后沿調(diào)制器231
C.2前沿調(diào)制器234
C.3對稱調(diào)制器234
參考文獻236
書單推薦
