本論文主要是設計一個三輸入一輸出的模糊控制型降壓電源轉換器。傳統上，用於降壓型轉換器的幾乎都是類比線路的控制器，不僅響應速度慢，而且容易受到溫度變化、雜訊、系統傳遞延遲等因素的影響，進而造成系統輸出不穩定。因此，本論文提出數位控制的方法來改善上述缺點，以提高降壓型轉換器的暫態與穩態性能。
基於CPLD(Complex Programmable Logic Devices)數位電路具有電腦輔助設計的便利性，因此，我們將應用此硬體發展平台，開發三輸入一輸出的數位控制器，架構在降壓型轉換器上，來控制降壓型轉換器中開關切換的時序。實驗結果証實此設計具有良好的穩定性，例如在負載變化，或不同的操作條件下，都能有效改善動態性能，達到較小的超越量，快速的暫態響應和較小的穩態誤差。此外，在實現硬體的過程中，如果系統性能不盡理想、需要作修改時，我們所設計的模糊邏輯控制晶片亦可由外部直接作調整，避免重新修改程式、重新編輯、重新模擬驗證和燒錄的繁瑣過程。

The main purpose of this thesis is to design a three-input one-output fuzzy controlled buck power converter. Conventionally, most of the controllers used in the buck power converters are analog circuits. The responses of such systems are slow and easily affected by the influences of the temperature variation, noise, and system delay, etc, leading to unsteady output voltage. In this thesis, a digital control method is presented to improve the transient and steady-state responses of the buck power converter.
Powerful computer-aided design software is available today for the design on CPLD. Upon the hardware platform we have developed a three-input one-output fuzzy controller for the buck converter to control the switching time. Experimental results show that good behavior is obtained on the load regulation and smaller overshoot, fast transient response, and smaller steady-state error are presented at different operating points. In case the performance is not good as expected, the fuzzy logic control chip we design has the merit that it can be adjusted directly from outside to change the central positions of the membership functions, avoiding the process of modifying the code, editing, simulations, verifications, and download to the hardware.

目錄

第一章  緒論…………………………………………………………1
1.1研究動機與目的……………………………………………………1
1.2論文綱要……………………………………………………………3
第二章  降壓型電源轉換器之介紹……………………………………4
2.1前言…………………………………………………………………4 
2.2降壓型電源轉換器之架構與基本工作原理………………………4
2.3降壓型電源轉換器連續導通模式之穩態分析……………………6
2.4電路元件之選擇……………………………………………………13
第三章  模糊控制器之設計…………………………………………17
3.1 模糊系統基本架構………………………………………………17
3.2 模糊控制器設計…………………………………………………19
第四章  數位積體電路簡介…………………………………………26
4.1 Altera CPLD/FPGA簡介…………………………………………26
4.2 PLD電腦輔助數位電路設計簡介…………………………………29
4.3 硬體描述語言簡介………………………………………………30
第五章  模糊控制型降壓電源轉換器之設計………………………32
5.1 整體架構…………………………………………………………32
5.2 模糊控制器設計…………………………………………………33
5.2.1 模糊控制器設計規格…………………………………………33
5.2.2 模糊控制器硬體電路設計……………………………………36
5.2.3 模糊系統晶片模擬……………………………………………38
5.3完整電路設計……………………………………………………40
5.3.1 主電力部分……………………………………………………42
5.3.2 電壓與電流感測電路部分……………………………………43 
5.4 程式設計…………………………………………………………44
第六章 實驗結果與討論……………………………………………49
第七章  結論與未來研究方向………………………………………56
參考文獻………………………………………………………………58

                           圖目錄

圖2.1 降壓型轉換器…………………………………………………5
圖2.2 降壓型電壓轉換器在連續導通模式下操作…………………8
圖2.3 電路操作於連續導通模式下之電壓波形……………………11
圖2.4 電路操作於連續導通模式下之電流波形……………………12
圖2.5 操作於連續導通模式下之輸出電壓漣波……………………13
圖3.1 模糊系統基本架構……………………………………………17
圖3.2 模糊系統………………………………………………………20
圖3.3  f之模糊單點值………………………………………………20
圖3.4  x (即 )之歸屬函數…………………………………………20
圖3.5  y (即 )之歸屬函數…………………………………………20
圖3.6  z (即 )之歸屬函數…………………………………………21
圖3.7 模糊規則編輯器………………………………………………23
圖3.8 模糊規則瀏覽器………………………………………………25
圖4.1 CPLD內部架構…………………………………………………28
圖4.2 FPGA內部架構…………………………………………………28
圖5.1 模糊控制型降壓電源轉換器之整體架構……………………33
圖5.2 輸入 x  (即 ) 之歸屬函數，η = 32+(32-xsw1) ………34
圖5.3 輸入 y  (即 ) 之歸屬函數，β = 32+(32-ysw1) ………35
圖5.4 輸入 z (即 ) 之歸屬函數…………………………………35
圖5.5 輸出 f (即 訊號之對應值) 之模糊單點，γ = 32+(32-fsw1)
…………………………………………………………………………35
圖5.6 模糊系統晶片內部程式架構圖………………………………36
圖5.7 模糊系統晶片模擬圖…………………………………………39
圖5.8 電路設計流程…………………………………………………40
圖5.9 模糊控制型交換式電源轉換器之完整電路…………………41
圖5.10 模糊控制型降壓電源轉換器之程式方塊圖………………45
圖5.11 模糊控制型降壓電源轉換器接腳圖………………………46
圖6.1 模糊控制型降壓電源轉換器之整體架構圖…………………49
圖6.2 主電力部份(降壓型電源轉換器) ……………………………49
圖6.3 類比轉數位電路………………………………………………50
圖6.4 電流感測電路…………………………………………………50
圖6.5 可由外部調整模糊運算中歸屬函數的開關xsw1、ysw1及fsw1
…………………………………………………………………………50
圖6.6 模糊系統控制晶片……………………………………………50
圖 6.7 三輸入一輸出的模糊系統，負載由 0.5A至1A 的實驗結果……52
圖 6.8 三輸入一輸出的模糊系統，負載由 1A至0.5A 的實驗結果……52
圖 6.9 二輸入一輸出的模糊系統，負載由 0.5A至1A 的實驗結果……52
圖 6.10 二輸入一輸出的模糊系統，負載由 1A至0.5A 的實驗結果…52

                          表目錄

表 3.1 模糊系統之規則表……………………………………………22
表 5.1 模糊系統晶片接腳功能描述…………………………………37
表 5.2 模糊控制型交換式電源轉換器接腳功能描述………………46
表 6.1 實驗參數………………………………………………………51
表 6.2 負載電流與輸出電壓對照表…………………………………53
表 6.3 輸入電壓與輸出電壓對照表…………………………………54
表 6.4 調整歸屬函數與輸出電壓對照表……………………………54
表 6.5 模糊控制型降壓電源轉換器之效率分析……………………55
表 6.6 電路合成後之設計參數……………………...……………55

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