正激变换器及其控制电路的设计及仿真.doc

正激变换器及其控制电路的设计及仿真 正激变换器及其控制电路的设计及仿真正激变换器及其控制电路的设计及仿真 设计要求设计要求：1、输入电压:100V（20）；2、输出电压：12V；3、输出电流:1A;4、电压纹波:70mV(峰峰值）；5、效率:78；6、负载调整率：1%；7、满载到半载，十分之一载到半载纹波200mV。第一章第一章 绪论绪论 1 1。课题研究意义课题研究意义:对于大部分 DC/DC 变换器电路结构，其共同特点是输入和输出之间存在直接电连接，然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离，这时就可以在基本 DC/DC 变换电路中加入变压器,从而得到输入输出之间电隔离的 DC/DC 变换器.而正激变化器就实现了这种功能。正激变换器及其控制电路的设计及仿真 2.2.课题研究内容课题研究内容：1、本文首先介绍了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电容、电感参数的计算方法，并进行了计算。2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。其中闭环方式又分为 PID 控制和 fuzzy 控制。本文分别针对开环、PID 控制,fuzzy 控制建立正激变换器的 Matlab 仿真模型，并进行仿真分析了，最后对得出的结果进行比较。第二章：正激电路的参数计算第二章：正激电路的参数计算 本章首先给出正激变换器的等值电路图，然后列出了正激变换器的四个主要参数的计算方法，并进行了计算。1 1、正激变换器的等值电路图、正激变换器的等值电路图 图 1 正激变换器等值电路图 2 2、参数计算、参数计算 （1 1）变比变比 n n 根据设计要求，取占空比 D=0.4，根据输入电压和输出电压之间的关系得到变比：n=DUUoutin=4.012100=3.3（2 2）最大、最小占空比最大、最小占空比 最大占空比 Dmax 定义为 Dmax=nUUUindout1min，正激变换器及其控制电路的设计及仿真 式中 Uin（min)=100-20=80V，Uout=12V，n=3.3，Ud 为整流二极管压降,所以 Dmax=0.495。最小占空比 Dmin 定义为 Dmin=nUUUindout1max，式中 Uin(max)=120V，所以 Dmin=0.333。（3 3）电电容容 电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小。取开关频率 f=200KHZ，则 T=5106 s，根据公式：C=ripplerippleVfI81，式中取 Iripple=0.2A，Vripple=0。07mV，所以 C=1.79F.为稳定纹波电压，放大电容至 50F。（4 4）电感电感 可使用下列方程组计算电感值:Uout=Ldtdi,dt=fDmin1，式中 Uout=12V，di 取为 0.2A，Dmin=0。333，所以 L=0.334mH.第三章第三章 正激变换器开环的正激变换器开环的 MatlabMatlab 仿真仿真 本章首先建立了正激变换器开环下的 Matlab 仿真模型，然后对其进行了仿真分析。1 1、仿真模型的建立仿真模型的建立 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 根据之前的等值电路图和参数的计算结果，可以对正激电路进行建模，其开环模型如图 2：图 2 正激电路的开环仿真模型 2、仿真结果 在 Matlab 上进行仿真，得到如下的输出电压,及其纹波，输出电流及其纹波的波形：图 3 开环电压波形 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 4 开环纹波电压 图 5 开环电流波形 图 6 开环纹波电流 从图中可以看出，开环占空比为 40时输出电压不能达到 12V，只能稳定在 11.98V 左右,纹正激变换器及其控制电路的设计及仿真 波电压为 1mV，输出电流是 0.998A，纹波电流不到 0。1mA.虽然纹波电压符合要求，但输出电压值和电流值不符合要求，且电压有较大超调。分析其原因，可能是由于电路中的二极管压降以及变压器参数的影响。需要调大占空比才能稳定到 12V。且开环系统有较弱的抗干扰性，不够稳定，因此应采用闭环。第四章第四章 正激变换器闭环正激变换器闭环 PIDPID 的的 MatlabMatlab 仿真仿真 本章首先介绍了工程上对系统的闭环稳定条件的要求，然后对开环系统绘制了伯德图,接着根据其开环幅频和相频特性曲线来确定所加 PID 环节的三个主要参数，进行闭环系统的 Matlab仿真，得到经过两次切载后的输出电压波形和输出电流波形，并进行了分析.1 1、闭环稳定的条件、闭环稳定的条件:(1）开环 Bode 图的幅频特性曲线中增益为 1 的穿越频率应等于开关角频率的 1/51/10。（2）幅频特性曲线应以20dB 的斜率穿越横轴。（3）相位裕量45。2 2、开环传递函数、开环传递函数:查阅资料得到未补偿的开环传递函数为：G0(S)=)1(11RsCRsLnUi，代入数据，得到 G0(S）=110783.21067.13.30528ss.3 3、未补偿的开环传函的、未补偿的开环传函的 BodeBode 图图 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 7 开环传递函数伯德图 从图中可以看出，穿越频率为 6。89103 Hz,小于要求的最小开关频率K200101=20000Hz，且以40dB 穿越横轴,相位裕度仅为 1。三项指标都不符合。因此必须加入补偿环节。4 4、补偿函数的确定补偿函数的确定 首先确定补偿后系统的剪切频率 fc1=K20081=2.5104 Hz，c1=2fc1=1.57105 rad/s。在 f=2。5104 Hz 处,原伯德图的增益为-22.6dB，相角为-179。取相位裕度为 50,则需补偿 49。新补偿的函数可分为 PD 和 PI 两部分(1）PD 环节 设 PD 环节的传递函数为 G1=Kp（1+s），作出其伯德图，得到以下比例关系:149tan101c,所以=7.3310-6。又 20lgKp2121c=22。6，所以 Kp=8.848.得到 G1=8.848（1+7。33106s）（2）PI 环节 取 PI 环节传函为 G2=ss1000.（3)补偿传函 G3 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 G3=G1G2=sss8848848.8104856.625.即 Kp=8。848,Ki=8848,KD=6.5e-5.5 5、补偿后系统的新开环传函补偿后系统的新开环传函 GnGn Gn=G0 G3=sssss25382310783.21067.14.2680940944.2681096514.1。其伯德图如下：图 8 补偿后系统伯德图 从图中可以看出，此时系统的幅频特性曲线以20dB 穿越横轴，且剪切频率为 2.49104 Hz,相位裕度为 49，完全符合工程要求。6 6、闭环闭环 PIDPID 控制的控制的 MatlabMatlab 仿真模型仿真模型 用 Mosfet 1 和 2 控制切载过程.用 Timer 和 Timer1 控制切载情况，在 t=0。02s 处负载由12切到 24，在 t=0.03s 处负载由 24切到 120，在 0。05s 处由 120切到 24。输出电压值与 12V 比较后进入 PID，再与三角载波形比较,在交点处控制 Mosfet 通断，从而控制占空比。正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 9 闭环 PID 控制电路图 7 7、闭环闭环 PIDPID 仿真结果仿真结果 在 Matlab 上进行仿真，得到如下的电压波形：图 10 初始 PID 参数下的输出电压波形 通过此图可以看出输出电压超调过大，已超过额定输出电压的 1 倍。尽管输出电压值、纹波、切载的尖峰都符合要求。此时需要对 PID 参数进行调整。在这里选取 Kp=0.5，Ki=500，KD=7.3e-5。此时可得到如下电压和电流波形：正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 11 调整 PID 参数后的输出电压波形 图 12 满载电压纹波波形图 图 13 切载后第一个尖峰 图 14 切载后第二个尖峰 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 15 输出电流波形 图 16 满载输出电流纹波波形 从图中可以看出，此时输出电压基本稳定在 12V，且无超调。满载输出平均电压约为11.9995V，满载时电压纹波最大，约为 0.7mA。切载时的电压尖峰也低于 200mV.半载输出平均电压为 11。99935V，所以负载调整率为9995.1199935.119995.11100=0.001251。满载，半载，1/10 载的电流纹波基本相等，均不到 1mA。变压器原边电流为 0。1521A，所以效率=1001521.010019995.11=78。9。均符合要求。8 8、补偿后系统的伯德图补偿后系统的伯德图 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 17 PID 补偿后系统的伯德图 从图中可以看出,补偿后系统的剪切频率为 2。12104Hz，约为开关频率的 0。106 倍，并以20dB 穿越横轴，且相位裕度为 88，符合工程要求。第五章第五章 正激变换器基于正激变换器基于 FuzzyFuzzy 控制的控制的 MatlabMatlab 仿真分析仿真分析 本章针对正激变换器进行了模糊控制。首先进行了模糊化的设计，然后建立了规则库，最后针对其 Matlab 模型进行了仿真分析。1 1、模糊化设计、模糊化设计 对误差 e、误差变化率dtde和控制量 U 的模糊集和域定义如下：（1）模糊集合均为NB,NM,NS，ZE，PS,PM,PB，e 的域为1，+1,dtde的域为-0.5,+0.5。U 的域为-1,+1.（2）隶属度函数均选三角函数，input1 为 e，input2 为dtde,output 为 U.例如，变量dtde的隶属度函数如下图所示：正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 18 输入dtde的隶属度函数 2 2、模糊规则、模糊规则的建立的建立 （1)模糊规则表如下:表 1（2)Fuzzy 控制器规则库如下:图 19 控制器规则库 3 3、MatMatlablab 仿真分析仿真分析 E EC NB NM NS ZE PS PM PB NB PBPB PBPB PMPM PMPM PSPS PSPS ZE NM PBPB PBPB PMPM PMPM PSPS ZEZE NS NS PMPM PMPM PSPS PSPS ZEZE NSNS NS ZE PMPM PMPM PSPS ZEZE NSNS NMNM NM PS PSPS PSPS ZEZE NSNS NSNS NMNM NM PM PSPS ZEZE NSNS NMNM NMNM NBNB NB PB ZE NS NS NM NM NB NB 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 通过开环的输出电压范围，初步确定对于 e,Gain1=65，对于dtde,Gain2=105.由采样定理，采样频率 为开关频率的 2 倍，即 400KHz,从而采样时间为 2.5106 s.还要加入限幅模块和零阶保持器模块，然后进行仿真。其仿真模型如下图：图 20 基于 Fuzzy 控制的 Matlab 仿真模型 仿真后得到的电压和电流波形如下：图 21 输出电压波形图 正激变换器及其控制电路的设计及仿真 图 22 切载前后纹波及切载尖峰电压波形图 图 23 输出电流波形 图 24 满载及半载电流纹波 图 25 1/10 载电流纹波 从图中可以看出，输出电压基本稳定在 12V，在满载时纹波为 350mV；半载时纹波为 170mV；1/10 载时纹波为 30mV。两次切载的尖峰电压分别为 300mV 和 150mV.未切载输出电流基本稳定在1A，在满载时纹波为 30mA；半载时纹波为 7mA;1/10 载时纹波为 0.3mA。输出基本上符合要求。正激变换器及其控制电路的设计及仿真 第六章第六章 总结总结 从闭环 PID 控制和 Fuzzy 控制的仿真结果的对比中可以看出,Fuzzy 控制的控制方式更加简单，稳定度高,且纹波也基本满足要求。由于不用进行大量的数学模型的计算，更加快捷.且 Fuzzy具有较好的鲁棒性和适应性。