1、具有隔离DCDC降压变换器仿真设计具有隔离的DC-DC降压变换器的仿真设计1设计要求输入电压：Uin=10020V ;输出电压：Uo=12V ;输出电压纹波： U78%;半载切满载，满载切半载，输出电压变化小于 200mV;10%负载切半载，半载切10%负载，输出电压变化小于 200mV; 负载调整率小于1%;变换器带有隔离环节；2开环参数设计根据输入输出电压值和要求带有隔离环节， 本文采用正激变换器。为了便于 仿真，本文使用线性变压器，省略原端磁复位结构。设定变压器匝数比为 4,由 UN D Uin，得开环占空比D=0.48。Ni让电路工作在电流连续模式，由公式Ilc二UTd（1-D） ：1
2、A，求出电感最小2值31.2uH，取电感值为48uH;由公式厶U o = 口 DU。: 70mV，求出电容最 8LC小值为27.8uF,取电容值为60uF。观察开环仿真输出，纹波峰峰值约为 25mV，小于70mV，满足要求。纹波 波形如图所示：3闭环系统PID方案的参数设计和仿真闭环系统框图如下:其中，Gc(S )为控制器的传递函数，Gm(S)为幅值等于1的三角波比较器传递 函数，因为直接把输出电压反馈回系统， 所以H(s)=1。由于开关电源是一个线性 与非线性相结合的综合系统，研究起来比较困难，本文应用状态空间平均法来对 其中的buck电路拓扑进行小信号分析，不考虑“ ESR零点”，得出bu
3、ck电路的 小信号标准化模型为：Gvd(s) 12 ，由此可知系统的开环传递函数为1+sL/R+s2LCGd(s)二Uin N 二 1一2 。代入数据可以得到系统的开环传递函数Vramp 1*sL/R*s LC从图知开环系统的相角裕度为0.871度，为使系统有良好的相对稳定性，选 取剪切频率为开关频率的1/5，即20kHz。从图读出20kHz时增益为-5dB，选相 角裕度为50度，则20kHz处需要校正的相角为+49.129度。K已知PID控制器的传递函数为 Gc(s) =Kp( sKd),设PD环节传递函s数Gpd=Kp (1 + T),由相频特性和幅频特性得出：arctan 上 = 49.
4、129 ( 1)匚 2 220lgKp ,1 c =5dB (2)解方程(1)和(2)得.=9.2 10s，KP =1.16，则 Gpd =1.16(V 9.2 10s)。 设PI环节的传递函数Gpi二乞卫00 (让积分常数的倒数位于低频段)，则 sGc(s)=Gpd Gpi =1.16(1 1000 9.2 10s)。为了使系统的超调减小，波形更理 s想，在仿真时对参数进行了微调，最终确定的 PID参数为：Kp=1.16，Ki=1000,Kd=3.8 10 占。Gc(s )的伯德图如下：将控制器传递函数与原来的开环传递函数相乘，得到校正后系统的开环传递如下:CkrKl ( Pm-想订ata
5、ic 1 Ha Ji住If对电路拓扑用MATLAB进行搭建，闭环仿真电路图如下:F面进行波形分析与指标测试：(1)不加干扰时输出电压波形:输入电流波形:&l-r-.JIMd有以上两幅波形可以算得：超调 (=1.15%，纹波峰峰值为23mV，调整时12V x 1A间ts=1.26ms ( 20.05),额定效率口 = =83.33%，均满足要求。100VX1.44A(2)满载半载相互转换在0.004s时将负载由满载切换至半载，电压波动约为 72mV, 0.008s时将负 载由半载切回至满载，电压波动约为 75mV。两次切载电压波动均小于 200mV， 满足要求。波形如下：(3)轻载(10%负载)
6、与半载转换在0.004s时将负载由半载切换至轻载，电压波动约为 84mV，0.008s时将负 载由轻载切回至半载，电压波动约为 60mV。两次切载电压波动均小于 200mV， 满足要求。波形如下：(4)电源扰动分析在0.004s加扰+20V电源扰动，输出电压波形如图所示:由图算得电压波动为110mV。当0.004s时加入-20V的电源扰动，输出电压波形如图：由图可知电压波动为-132mV。所以在电源输入Uin=100土20V情况下，输出 完全满足要求。(5)负载调整率测试满载切轻载时的负载调整率为S2.00T2.002 100% 017% 12.0007所以两种情况的负载调整率均小于 1%，满
7、足要求最后看一下系统先后经历满载切半载，半载切满载，和电源 +20V扰动时的输出波形：4闭环系统FUZZY控制仿真由于输入量只有E和EC，系统对静差的消除作用较小，以至于在满载切换 到轻载时波形波动严重，并且加入电源扰动时波形也会发生畸变。针对以上问题，采用PID与FUZZY控制相结合的方法，加入比例积分控制 模块，以使系统的静差最小。仿真时调节差分增益K和比例环节的增益参数Gain, 同时给予适当的积分增益 Kp,使波形达到理想，改进后的电路图如下：然后，建立FUZZY文件，两个输入量分别为 E和EC,变化范围均为-1到 1，一个输出量outputl，输出范围为0到1，每个变量的隶属度函数选
8、用5个。 其中对E和EC的参数设定如图所示：函数的规则库为模糊控制的核心，如图所示:de/dteNBNSZPSPBNBNBNBNSNSNCNSNBNSNSNCPSZNSNSNCPSPSPSNSNCPSPSPBPBINCPSPSPBPB对MATLAB中FUZZY的规则库进行设定，如图所示:.If侄嘻 畑）卸 （比 區 呻也加（如tpmi豐NB） （口2. IfCEisNSJand (EC is NS) then (output! isHB) (1) a If fE is NB) and (EC a Z) then (outputl is NS) (1)4.If (E is MB) and 让匚
9、is PS) then (outputl g NS)5.If E is NB) and (EC is PB) then (outputl ts Z) (1)6.If (E is MS) and (EC is NB) then (mitputl is NB (1)7.If (.E is NS) and (EC is NS) then (outputl is NS)& ff(E Is NS) and (EC Is Z) than (outputl Is NS) (1)9.If (E s NS and (EC is PS) then (output! s Z) (1)10.If (E is NS)a
10、nd(ECsP8tiien(outputl UPS)(1)11.If (E is Z) and (EC is NB)then (outputl sNS)(1)12.if (E is Z) and (EC n NS) then outputl is RS) (1)13.If (E isZ) and (EC ii&Z) then outputl is 石1+. if (E is Z) and (EC PS)then (outputl is PS) (1)15.If (E is Z) and (EC i& PB) then (outputl is PS) (1)16.If (E is PS) and
11、 (EC is NB) then (output! is NS) (1)17.If (E is PS and (EC b NS) then (outputl is Z. (1)13. lf(E is PS) and (EC is Z) then (outputl is PS) (1 19.ff (E is PS) and (EC is PS) then (outputl k PS)(1)20.If (E is PS and (EC is PB) then (outputl 呂 PB)(1)21.If (E is PB; and (EC is NB)then (outputl is 2)(122
12、.If (E is PB) and (EC is NS) then (outputl is PS)23.If (E is PB) and (EC is Z) then (outputl is PS)24 lf(E isP6) and (EC is PS) then (outputl is PS) ft)2S. If (E is PB) and (EC is PB) then (outputl ts P0) (1)测得的电压信号经过与参考电压比较后得到一个差值信号 E, E经过差分和比例放大后送入FUZZY模块中，经过模糊化、模糊推理、反模糊化后给出控制 信号，然后和三角波比较后形成 PWM门极
13、脉冲，控制MOSFET的通断，进而控 制输出电压大小。F面进行波形分析与指标测试:（1）基本参数测试：由图可知输出电压波形超调为21.2%，输出电压纹波约为35mV，调整时间 为 0.73ms。（2）切载测试：在0.01s时从满载切到半载，0.015s时从半载切回满载，输出电压波形如下：由图知两次切载电压波动均约为 35mV，小于200mV，满足要求在0.004s时从半载切换到轻载（10%负载），0.018s时从轻载切回到半载, 输出电压波形如下：由图可知第一次切载电压波动为 70mV，第二次切载电压波动为35mV，两 次均小于200mV，满足要求。（3）输入扰动测试：在0.01s时，输入加入
14、+20V扰动，输出电压波形如下：由图知电压波动为43mV，小于200mV，符合要求。在0.01s时，输入加入-20V扰动，输出电压波形如下:由图知电压波动为25mV，小于200mV，符合要求。(4)负载调整率测试:满载切半载时的负载调整率为 sJ2.01012.007 100% =0.025% ； 12.01012 01011 9881满载切轻载时的负载调整率为 S =-一-一如00% =0.18% ；12.010所以两次切载的负载调整率均小于1%,满足要求。最后看一下系统先后经历 0.006s时满载切半载，0.01s时半载切满载，和0.015s时电源输入+20V扰动时的电压输出波形：5.遇到
15、的问题和心得体会：PID控制主要难点是PID参数的计算，方法不一，但最终目的都是为了校正 开环伯德图，本文先后采用了三种方法，考虑到幅频和相频特性，低频段特性， 以及剪切频率处的穿越特性，最后选取了一组仿真效果最好的参数。 FUZZY控制的核心是建立合适的规则库，本文选择的隶属度函数为5个，在输出静差较大 同时切载畸变的情况下，加入了比例积分模块弥补了 FUZZY的不足，使输出结果十分理想。由于本次作业为仿真验证，对很多模块采用了理想化处理，如忽略了电容的 ESR，对变压器采用了线性化处理，避免了磁饱和，由此也忽略了磁复位电路对 整个传递函数的影响，在调节 PID参数时，假定的微分环节为理想微
16、分，而实 际并不存在理想的微分环节。同时，由于过于理想， PID控制时的负载调整率非常小，与实际情况不符。但是，在实际应用中，不但要考虑以上问题，变压器的 绕制以及EMI的处理都会十分棘手。通过此次作业，我获益匪浅，尤其是对 PID的理解与应用，知道参数对于系统的重要性，一组好的参数加上系统小幅度的调整就可达到满意的效果。 对于FUZZY控制我也有了更深入的理解，知道了 FUZZY控制的优点和不足，学会 了初步运用PID与FUZZY的结合来解决问题。与此同时，我深刻地体会到仿真 与实际的差别，通过仿真我了解了系统的原理，参数对系统的影响，以及对参数 进行整定的趋势，但是在实际应用中还需更多的努力与实践！
