交換式電源轉換器是許多電子產品中不可或缺的重要裝置，此裝置具有節能與高效率之優點，然而，輸入電壓的波動、負載的變動或元件參數的擾動皆會影響其穩壓輸出的性能。強健控制理論是解決這類問題的利器，然而，現有研究成果鮮少針對強健控制器的設計以及硬體實現，作完整的討論。因此，本論文以降壓式直流對直流電源轉換器為對象，應用強健控制理論設計強健控制器，並且以CPLD (Complex Programmable Logic Devices)實現雛形系統，具體驗證其效能。此外，本論文有系統地敘述所要研究的問題、提供設計方案以及硬體實現，包括轉換器建模、數值模擬驗証、求解強健控制器以及硬體實現。

Switching power converters are important devices indispensable to a variety of electronic products. The advantages of these devices are energy saving and high efficiency. The input voltage fluctuations, load variations as well as parametric uncertainty are the major factors which would affect the steady voltage output performance of the switching power converters. Robust control theory is one of the powerful methodologies to deal with the sorts of problems. However, little research results have been found on the design and implementation of robust controllers by the theory for the power converters. Therefore, this thesis deals with the design of robust controllers for DC-DC Buck converters, using CPLD (Complex Programmable Logic Devices) to realize the system in order to validate the effectiveness of the proposed method. This thesis addresses the design problem, provides the solution, and performs hardware implementation in a systematic way. Specifically, it consists of converter model derivation, numerical simulation, robust controller design and hardware implementation.

目 錄

中文摘要  I
英文摘要 II
目錄	III
圖目錄	VI
表目錄	X
第一章	緒論	- 1 -
1.1	研究動機	- 1 -
1.2	研究背景	- 1 -
1.2.1	傳統類比控制器設計	- 1 -
1.2.2	數位控制器設計	- 2 -
1.3	論文架構	- 3 -
第二章	背景知識	- 4 -
2.1	同步整流之交換式電源轉換器	- 4 -
2.2	交換式電源轉換器之數學模型	- 7 -
2.3	強健控制器設計	- 9 -
2.3.1	靜態狀態迴授設計	- 10 -
2.3.2	動態輸出迴授設計	- 14 -
2.4	區域極點配置法	- 19 -
2.5	LQR控制方法	- 22 -
2.6	控制力受限之設計方法	- 23 -
2.6.1	靜態狀態迴授設計	- 23 -
2.6.2	動態輸出迴授設計	- 23 -
2.7	控制器實現方法	- 24 -
2.7.1	靜態狀態迴授的實現	- 24 -
2.7.2	動態輸出迴授的實現	- 24 -
第三章	強健控制器設計與模擬	- 28 -
3.1	系統架構介紹	- 28 -
3.2	控制器設計方法	- 30 -
3.2.1	輸入電壓波動	- 31 -
3.2.2	負載變動	- 34 -
3.2.3	輸入電壓波動與負載變動	- 39 -
3.3	數值模擬結果	- 44 -
3.3.1	輸入電壓波動情形	- 46 -
3.3.2	負載變動情形	- 57 -
3.3.3	輸入電壓與負載變動情形	- 65 -
3.4	結論	- 75 -
第四章	硬體雛型驗證	- 76 -
4.1	系統架構	- 76 -
4.2	硬體設計	- 78 -
4.2.1	同步整流之電源轉換器主電路	- 79 -
4.2.2	電壓、電流感測電路	- 80 -
4.2.3	A/D轉換器	- 81 -
4.2.4	控制器程式設計	- 83 -
4.2.5	PWM產生器程式流程	- 83 -
4.3	實驗結果	- 85 -
第五章	結論與未來研究方向	- 88 -
參考文獻	- 89 -

 
圖目錄

圖1. 1 使用類比控制之交換式電源轉換器	- 2 -
圖2. 1 交換式電源轉換器電路圖	- 4 -
圖2. 2 驅動交換式電源轉換器之PWM波形	- 5 -
圖2. 3  導通而 截止之等效電路圖	- 5 -
圖2. 4  截止而 導通之等效電路圖	- 6 -
圖2. 5  架構圖	- 9 -
圖2. 6 安定時間與極點之關係圖	- 19 -
圖2. 7 最大超越量與極點之關係圖	- 19 -
圖2. 8 控制力受限問題之 架構圖	- 24 -
圖2. 9 數位動態迴授控制器	- 24 -
圖2. 10 查表流程圖	- 27 -
圖3. 1 使用靜態狀態迴授之系統架構圖	- 29 -
圖3. 2 使用動態輸出迴授之系統架構圖	- 30 -
圖3. 3 考慮輸入電壓波動之 架構圖	- 31 -
圖3. 4 考慮負載變動之 架構圖	- 35 -
圖3. 5 考慮輸入電壓波動與負載變動之 架構圖	- 40 -
圖3. 6  SIMPOWERSYSTEMS之降壓電路圖	- 45 -
圖3. 8 輸入電壓變動小範圍變動時各方法之責任週期變化圖	- 50 -
圖3. 10 輸入電壓變動大範圍變動時各方法之責任週期變化圖	- 53 -
圖3. 11 輸入電壓加入一 電壓波動的輸出電壓響應圖	- 55 -
圖3. 12 LQR方法，不同權重 之輸出電壓比較圖(輸入變動)	- 56 -
圖3. 13 區域極點配置法，不同 之輸出電壓比較圖(輸入變動)	- 56 -
圖3. 14  +極點配置(靜態)，不同 之輸出電壓比較圖(輸入變動)	- 56 -
圖3. 15  +極點配置(靜態)，不同 之輸出電壓比較圖(輸入變動)	- 56 -
圖3. 16  +極點配置(動態)，不同 之輸出電壓比較圖(輸入變動)	- 56 -
圖3. 17  +極點配置(動態)，不同 之輸出電壓比較圖(輸入變動)	- 56 -
圖3. 18 負載變動時之電感電流與輸出電壓變化圖	- 57 -
圖3. 19 負載2A->2.5A且2.5A->2A的輸出電壓響應圖	- 59 -
圖3. 20 負載小訊號變動時各方法之責任週期變化圖	- 60 -
圖3. 22 負載大訊號變動時各方法之責任週期變化圖	- 63 -
圖3. 23  LQR方法，不同權重 之輸出電壓比較圖(負載變動)	- 64 -
圖3. 24 區域極點配置法，不同 之輸出電壓比較圖(負載變動)	- 64 -
圖3. 25  +極點配置(靜態)，不同 之輸出電壓比較圖(負載變動)	- 64 -
圖3. 26  +極點配置(動態)，不同 之輸出電壓比較圖(負載變動)	- 64 -
圖3. 27 負載2A->2.5A->2A且輸入電壓12V->12.5V時的輸出電壓響應圖	- 67 -
圖3. 28 負載2A->2.5A->2A的輸出電壓響應圖	- 68 -
圖3. 29 輸入電壓波動與負載變動為小訊號變動時各方法之責任週期變化圖	- 69 -
圖3. 32 輸入電壓波動與負載變動為大訊號變動時各方法之責任週期變化圖	- 73 -
圖3. 33 LQR方法，不同權重 之輸出電壓比較圖(輸入與負載變動)	- 74 -
圖3. 34 區域極點配置法，不同 之輸出電壓比較圖(輸入與負載變動)		- 74 -
圖3. 35  +極點配置(靜態)，不同 之輸出電壓比較圖	- 74 -
圖3. 36  +極點配置(靜態)，不同 之輸出電壓比較圖	- 74 -
圖3. 37  +極點配置(動態)，不同 之輸出電壓比較圖	- 74 -
圖3. 38  +極點配置(動態)，不同 之輸出電壓比較圖	- 74 -
圖4. 1 使用靜態狀態迴授的電源轉換器的整體架構圖	- 77 -
圖4. 2 使用動態輸出回授的電源轉換器的整體架構圖	- 77 -
圖4. 3 MAX Ⅱ 實驗板外觀	- 78 -
圖4. 5 同步整流之電源轉換器主電路	- 80 -
圖4. 6 電壓感測電路	- 80 -
圖4. 7 電流感測電路圖	- 81 -
圖4. 8 TLV1572之接腳圖	- 82 -
圖4. 9 TLV1572與CPLD晶片接腳配置圖	- 82 -
圖4. 10 控制器程式流程圖	- 84 -
圖4. 11 PWM程式流程圖	- 85 -
圖4. 12 輸出電壓漣波與同步PWM波形圖	- 86 -
圖4. 13 同步整流之PWM波形圖	- 86 -
圖4. 14  LQR控制器於負載變動時，輸出電壓波形圖	- 87 -
圖4. 15 靜態 控制器於負載變動時，輸出電壓波形圖	- 87 -
 
表目錄

表2. 1  的查表	- 27 -
表3. 1 輸入電壓波動12V->12.5V之情形，使用各種控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 48 -
表3. 2 輸入電壓波動12V->13V之情形，使用各種控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 51 -
表3. 3 輸入電壓為弦波時，各控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 54 -
表3. 4 負載變動範圍10%之情形，使用各種控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 58 -
表3. 5 負載變動範圍40%之情形，使用各種控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 61 -
表3. 6 輸入電壓波動12V->12.5V與負載變動10%之情形，使用各種控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 66 -
表3. 7 輸入電壓波動12V->13V與負載變動40%之情形，使用各種控制方法之輸出電壓變化與百分率	- 70 -
表4. 1 控制器設定參數表	- 87 -

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