正激變換器及其控制電路的設計及仿真設計

1、正激變換器與其控制電路的設計與仿真設計要求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v 200mV>第一章 緒論1. 課題研究意義 ：對于大局部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，然而許多應用場合要求輸入、 輸出之間實現(xiàn)電隔離， 這時就可以在根本DC/DC變換電路中參加變壓器，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.課題研究容：1、本文首先介紹了正

2、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)果進行比擬。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)設計要求，取占空比D=0.4,根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的關系得到 變比：n=UinU o

3、utD=100120.4 =3.3(2) 最大、最小占空比 最大占空比Dnax定義為DnaxU outUdU 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 Dnax =0.495。最小占空比Dnin定義為DninU out U dU in max式中 Un (max) =120V,所以 DU =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。取開關頻率f=200KHZ 那么 T=5X 10-6s,根據(jù)公式：1C=?I rippleV ripple式中取 I ripple =0.2A, Vri

4、pple =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) 電感可使用以下方程組計算電感值：UOut =LX Q ,dtdt=Dmin式中 UOut=12V, di 取為 0.2A, dn =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:DC Vrrapr Si .tfPtleaCnnt Msa*05c圖2正激電路的開環(huán)仿真模型2、仿真結(jié)果在Matla

5、b上進行仿真，得到如下的輸出電壓，與其紋波，輸出電流與其紋波的波形:圖3開環(huán)電壓波形圖4開環(huán)紋波電壓圖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%時輸出電壓不能到達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與變壓器參數(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

6、要求，然后對開環(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的穿越頻率應等于開關角頻率的 1/51/10。(2) 幅頻特性曲線應以-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：UG (S)= 一n代入數(shù)據(jù)，得到G(S)=30.38251.67 10 s 2.783 10 s3、未補償?shù)拈_環(huán)傳函的Bode圖圖7開環(huán)傳遞

7、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頻率1200K=20000Hz且以-40dB穿越橫軸，相位裕度僅為1°。三項指標都不符10合。因此必須參加補償環(huán)節(jié)。4、補償函數(shù)確實定1首先確定補償后系統(tǒng)的剪切頻率fci =丄200K =2.5 X 104 Hz,3 ci =2n fci8=1.57 X 105 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°,貝U需補償49°。新補償?shù)暮瘮?shù)可分為PD和PI兩局部(1) PD環(huán)節(jié)G1=Kp( 1 + t s),作出其伯德圖，

8、得到以下比例關設PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為系：0c1 tan 491所以 t =7.33 X 10-6又 20lgKp 12 C12 =22.6 ,所以 Kp=8.848。得到 G1=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G38848。52G3=GXG2=64856 10 s8848ss即 Kp=8.848, Ki=8848, K D=6.5e-5。5、補償后系統(tǒng)的新開環(huán)傳函GnGn=(GG3=1.96514 101.67 103 2s83s268.0944s 268094.42.783 10 5s2 s其伯德圖如下:圖8補

9、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12Q切到24Q,在t=0.03s處負載由24Q切至U 120Q,在0.05s 處由120Q切到24Q。輸出電壓值與12V比擬后進入PID,再與三角載波形比擬， 在交點處控制Mosfet通斷，從而控制占空比。TitadOJNWI*1j ?r i * ：:eIIrrtn恥愉妣l±1Af

10、l cwd弗Saw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:圖10初始PID參數(shù)下的輸出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, Ki=500，Kd =7.3e-5。此時可得到如下電壓和電流波形：圖12滿載電壓紋波波形圖7-圖13切載后第一個尖峰圖14切載后第二個尖峰圖16滿載輸出電流紋波波形從圖中可以看出，此時輸出電壓根本穩(wěn)定在12V,且無超調(diào)。滿載輸出平均11.9995 11.9993511.9995電壓約為11.

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200mV半載輸出平均電壓為11.99935V，所以負載調(diào)整率為X 100% =0.00125%v 1%。滿載，半載，1/10載的電流紋波根本相等，均不到11 9995 11mA變壓器原邊電流為0.1521代所以效率n =礦話100 % =789 %。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 X 104Hz,約為開關頻率的 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Matla

12、b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計，然后建立 了規(guī)那么庫，最后針對其Matlab模型進行了仿真分析。1、模糊化設計對誤差e、誤差變化率de和控制量U的模糊集和域定義如下：dt de(1) 模糊集合均為NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB e 的域為-1 , +1,的域dt為-0.5 , +0.5。U 的域為-1 , +1。lde(2) 隸屬度函數(shù)均選三角函數(shù)，input1為e, input2為一，output為U。dt例如，變量 空的隸屬度函數(shù)如以下列圖所示:dtde圖18輸入蘭的隸屬度函數(shù)dt2、模糊規(guī)那么的建立(1)模糊規(guī)那么表如下:XNBNMNSZE

13、PSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB(2)Fuzzy控制器規(guī)那么庫如下:圖19控制器規(guī)那么庫3、Matlab仿真分析通過開環(huán)的輸出電壓圍，初步確定對于e. Gain仁65,對于de，Gain2=10-5。由采樣dt定理，采樣頻率 為開關頻率的2倍，即400KHZ,從而采樣時間為2.5 X 10-6s。還要參加限 幅模塊和零階保持器模塊，然后進行仿真。其仿真模型如以下列圖：圖20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型仿真后得到的電壓和電流波形如下：圖21輸出電壓波形圖flHiI Laf1 H JI AA Anl n. / iI 1 IJ. V 111/ I / 11 1%Atjfi：fL f !1 1 111li .i圖22切載前后紋波與切載尖峰電壓波形圖圖23輸出電流波形圖24滿載與半載電流紋波圖25 1/10載電流紋波從圖中可以看出，輸出電壓根本穩(wěn)定在 12V,在滿載時紋波為350mV半載 時紋波為170mV 1/10載時紋波為3