正激變換器及其控制電路的設(shè)計及仿真

1、正激變換器及其控制電路的設(shè) 計及仿真正激變換器及其控制電路的設(shè)計及仿真設(shè)計要求：1、輸入電壓100V (± 20%);2、輸出電壓12V;3、輸出電流1A;4、電壓紋波V 70mV （峰峰值）；5、效率：n> 78%;6、負載調(diào)整率：1%;7、滿載到半載,十分之一載到半載紋波v200mV。第一章緒論1. 課題研究意義：對于大部分DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)，其共同特點是輸入和輸出之間存在直 接電連接，然而許多應(yīng)用場合要求輸入、輸出之間實現(xiàn)電隔離，這時就可以在 基本DC/DC變換電路中加入變壓器，從而得到輸入輸出之間電隔離的DC/DC變換器。而正激變化器就實現(xiàn)了這種功能。2. 課題研

2、究內(nèi)容：1、本文首先介紹了正激變換器電路中變比、最大占空比和最小占空比、電 容、電感參數(shù)的計算方法，并進行了計算。2、 正激變換器的控制方式主要通過閉環(huán)實現(xiàn)。其中閉環(huán)方式又分為PID控 制和fuzzy控制。本文分別針對開環(huán)、PID控制，fuzzy控制建立正激變換器的 Matlab仿真模型，并進行仿真分析了，最后對得出的結(jié)果進行比較。第二章：正激電路的參數(shù)計算本章首先給出正激變換器的等值電路圖，然后列出了正激變換器的四個主 要參數(shù)的計算方法，并進行了計算。1、正激變換器的等值電路圖D2'圖1正激變換器等值電路圖2、參數(shù)計算(1)變比n根據(jù)設(shè)計要求，取占空比D=0.4,根據(jù)輸入電壓和輸出電

3、壓之間的關(guān)系得到 變比：n= b D =100 0.4=3.3Uout12(2) 最大、最小占空比最大占空比Dmax定義為Dmax =U out U dU in min 式中 Un(min)=100-20=80V, UOut=12V, n=3.3 , , Ud 為整流二極管壓降, 所以 D.ax =0.495。最小占空比DU定義為DU out U d min =1 ?U in max 式中所以Un (max) =120V,Dnin =0.333。(3)電容電容的容量大小影響輸出紋波電壓和超調(diào)量的大小。取開關(guān)頻率f=200KHZ 則 T=5X 10-6 s,根據(jù)公式：1I .ripplefVri

4、pple式中取 I ripple =0.2A ,Vripple =0.07mV,所以C=1.79卩F。為穩(wěn)定紋波電壓，放大電容至50卩F。(4)電感可使用下列方程組計算電感值：U)ut =LXdt式中 U0ut=12V, di 取為 0.2A, D-=0.333, 所以 L=0.334mH第三章 正激變換器開環(huán)的Matlab仿真本章首先建立了正激變換器開環(huán)下的 Matlab仿真模型，然后對其進行了仿 真分析。1、仿真模型的建立根據(jù)之前的等值電路圖和參數(shù)的計算結(jié)果，可以對正激電路進行建模，其 開環(huán)模型如圖2:pow 白 guiCurrent Mea*I+圖2正激電路的開環(huán)仿真模型2、仿真結(jié)果在M

5、atlab上進行仿真，得到如下的輸出電 壓，及其紋波，輸出電流及其紋波的波形：圖3開環(huán)電壓波形圖5開環(huán)電流波形圖6開環(huán)紋波電流從圖中可以看出，開環(huán)占空比為40%時輸出電壓不能達到12V,只能穩(wěn)定在11.98V左右，紋波電壓為1mV輸出電流是0.998A，紋波電流不到0.1mA。雖 然紋波電壓符合要求，但輸出電壓值和電流值不符合要求，且電壓有較大超調(diào)。分析其原因，可能是由于電路中的二極管壓降以及變壓器參數(shù)的影響。需要調(diào) 大占空比才能穩(wěn)定到12V。且開環(huán)系統(tǒng)有較弱的抗干擾性，不夠穩(wěn)定，因此應(yīng)采 用閉環(huán)。第四章 正激變換器閉環(huán)PID的Matlab仿真本章首先介紹了工程上對系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定條件的要求，然

6、后對開環(huán)系統(tǒng)繪制 了伯德圖，接著根據(jù)其開環(huán)幅頻和相頻特性曲線來確定所加PID環(huán)節(jié)的三個主要參數(shù)，進行閉環(huán)系統(tǒng)的 Matlab仿真，得到經(jīng)過兩次切載后的輸出電壓波形和 輸出電流波形，并進行了分析。1、閉環(huán)穩(wěn)定的條件：（1）開環(huán)Bode圖的幅頻特性曲線中增益為1的穿越頻率應(yīng)等于開關(guān)角頻率的 1/51/10。（2）幅頻特性曲線應(yīng)以-20dB的斜率穿越橫軸。（3）相位裕量丫 > 45 °。2、開環(huán)傳遞函數(shù)：查閱資料得到未補償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)為：Go（s）=Un V，1+ （RsC+1）R代入數(shù)據(jù)，得到Go (S)=30.31.67 10s22.783 10*s 13、未補償?shù)拈_環(huán)傳函的B

7、ode圖EooeCugrBrnhrdS ；b:hlHz：i, Pm- Z2Ji：aiS.BSeOOl-Hi；JSlgQ-H圖7開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖從圖中可以看出，穿越頻率為6.89 103 Hz,小于要求的最小開關(guān)頻率10200K=20000Hz且以-40dB穿越橫軸，相位裕度僅為1°。三項指標都不符合。因此必須加入補償環(huán)節(jié)4、補償函數(shù)的確定1首先確定補償后系統(tǒng)的剪切頻率fci =- 200K =2.5 X 104Hz, s ci =2 n fci85=1.57 X 10 rad/s 。在f=2.5 X 104 Hz處，原伯德圖的增益為-22.6dB，相角為-179。取相位 裕度為50

8、°,貝U需補償49°。新補償?shù)暮瘮?shù)可分為 PD和PI兩部分(1) PD環(huán)節(jié)設(shè)PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 G1=Kp( 1 + t s)，作出其伯德圖，得到以下比例關(guān) 系：所以 t =7.33 X10-6又 20lgKp+已2 J =22.6 ,-'C1tan 49°1所以 Kp=8.848。得到 G仁8.848 (1+7.33 X 10-6s)(2) PI環(huán)節(jié)取PI環(huán)節(jié)傳函為G2=s 1000。s(3) 補償傳函G3526.4856 10 s 8.848s 8848G3=GX G2=s即 Kp=8.848, Ki=8848, K D=6.5e-5。5、補償后系統(tǒng)

9、的新開環(huán)傳函GnGn=GG3=-321.96514 10 s 268.0944s 268094.41.67 10s32.783 10*s2 s其伯德圖如下:亠日一 WPIUAI3Bed亡口皿 ihf, Rm-鴨.工dea2.4*e-DC4 H2；«5nequhty (Hz)圖8補償后系統(tǒng)伯德圖從圖中可以看出，此時系統(tǒng)的幅頻特性曲線以-20dB穿越橫軸，且剪切頻率 為2.49 X 104 Hz,相位裕度為49°,完全符合工程要求。6、閉環(huán)PID控制的Matlab仿真模型用Mosfet 1和2控制切載過程。用 Timer和Timerl控制切載情況，在 t=0.02s處負載由12

10、Q切到24 Q,在t=0.03s處負載由24Q切至U 120 Q,在0.05s 處由120Q切到24Q。輸出電壓值與12V比較后進入PID,再與三角載波形比較，在交點處控制Mosfet通斷,從而控制占空比fTliTiErMosFetlTimer!n' DC SauceJnearTransforme-,INwiCM lHosfetTj圖9閉環(huán)PID控制電路圖7、閉環(huán)PID仿真結(jié)果在Matlab上進行仿真，得到如下的電壓波形：通過此圖可以看出輸出電壓超調(diào)過大， 已超過額定輸出電壓的1倍。盡管輸 出電壓值、紋波、切載的尖峰都符合要求。此時需要對PID參數(shù)進行調(diào)整。在這里選取 Kp=0.5，K

11、i=500，Kd =7.3e-5。此時可得到如下電壓和電流波形：圖11調(diào)整PID參數(shù)后的輸出電壓波形圖13切載后第一個尖峰圖14切載后第二個尖峰從圖中可以看出，此時輸出電壓基本穩(wěn)定在12V,且無超調(diào)。滿載輸出平均電壓約為11.9995V,滿載時電壓紋波最大，約為 0.7mA。切載時的電壓尖峰也 低于200mVo半載輸出平均電壓為11.99935V，所以負載調(diào)整率為 11 9995 _11 99935.35 X 100% =0.00125 %v 1%。滿載，半載，1/10載的電流紋波11.9995基本相等，均不到1mA。變壓器原邊電流為0.1521A,所以效率n二 11.9995" =

12、 100 0.1521100 % =78.9 %。均符合要求。8、補償后系統(tǒng)的伯德圖圖17 PID補償后系統(tǒng)的伯德圖從圖中可以看出，補償后系統(tǒng)的剪切頻率為2.12 X104Hz,約為開關(guān)頻率的0.106倍，并以-20dB穿越橫軸，且相位裕度為88°，符合工程要求。第五章 正激變換器基于Fuzzy控制的Matlab仿真分析本章針對正激變換器進行了模糊控制。首先進行了模糊化的設(shè)計，然后建 立了規(guī)則庫，最后針對其Matlab模型進行了仿真分析。1、模糊化設(shè)計對誤差e、誤差變化率de和控制量U的模糊集和域定義如下：dt(i)為-0.5 ,(2)de 模糊集合均為NB,NM,NS,ZE,PS,

13、PM,PB, e的域為-1 , +1, 的域 dt+0.5。U 的域為-1 , +1。 de隸屬度函數(shù)均選三角函數(shù)，input1為e, input2為一，output為U。 dtFIS VdiutUr-i例如，變量賽的隸屬度函數(shù)如下圖所示:de圖18輸入一的隸屬度函數(shù)dt2、模糊規(guī)則的建立(1)模糊規(guī)則表如下:ECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB(2)Fuzzy控制器規(guī)則庫如下

14、: I>；npjn qr«iE:初】耳'e；iihtn：3jpminiPfi-flj4 門知站 NB| trd :彈til it ZEiiwi歴渾聞fl幾;mJd曹NWjEiE竝另 北：|*:sufrfl眄耳麗=r<hMi i rfii 曲：W2 理馬i加 iiuxui 氐曲H) =r>m£l 5 F£| VKl ：ir<d2 tb <tten ：WJtl F： >：l'| !? r>wi 5 r-Ei 兇;(r<4i2 Kitwi i：£dpdi t.田 |ij )!.r-tiul ail

15、ixCKMTiIkhLCUipdl RIH s. r<>iMi q 圖w fjnzn 碼，加;拍砂1 峪 re; j 卜AfiEjd .WpjrPnnpi竝昭龐Jtien厲細川嚴砒叫1|l工命祕口耳訶嗣郵;H：! l ! 5 “Eo 叭瞰| h«n IMMII 4 3El (1) W tfCfwd rai>w?d PiiMn-;«Ml n h5l l'1) E ITfgEl C-Ffl M |f¥(12 dlEiltWl ；MMl 也 PH| |'1) 臭 ffgrl 兇;<¥<12 B W| i-uUdl

16、J± »!l |H7. IfCWI fi F£| 曲 h HS：'HW1 ：gt1 r5 RE：.CltfdT1WnW> t中川!5rpfi 冬二In*圖19控制器規(guī)則庫3、Matlab仿真分析通過開環(huán)的輸出電壓范圍，初步確定對于e,Gain1=65,對于 de, Gain2=10-5。由采樣定理，dt采樣頻率為開關(guān)頻率的2倍，即400KHz從而 采樣時間為2.5 X 10-6s。還要加入限幅模塊和零階保持器模塊，然后進行仿真。其仿真模型如下圖:TimerHerreidZLKtemopj"PsIki 口-口1 'SVJLXYlHuun L-sgie匚 nranliw-g /iOft. 曲pMlipSflKmroi* MeiSTUr*""ISUrmer*P*riwMlraHa匚 ciwianlliTin-wrl圖20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型圖21輸出電壓波形圖!<V-VVV13-a-a圖24滿載及半載電流紋波圖25 1/10載電流紋波從圖中可以看出，輸出電壓基本穩(wěn)定在 12V,在滿載