正激变换器及其控制电路的设计及仿真.docx
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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:
1、
输入电压
100V(±20%);
2、
输出电压
12V;
3、
输出电流
1A;
4、
电压纹波
V70mV(峰峰值);
5、
效率:
n
>78%;
6、
负载调整率:
1%;
7、满载到半载,十分之一载到半载纹波v
200mV。
第一章绪论
1.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。
2.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
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、正激变换器的等值电路图
图1正激变换器等值电路图
2、参数计算
(1)变比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:
(2)最大、最小占空比
最大占空比Dmax定义为
Dmax=
UoutUd
Uinmin—
式中Un(min)=100-20=80V,UOut=12V,n=3.3,,Ud为整流二极管压降,所以D.ax=0.495。
最小占空比DU定义为
D
UoutUdmin=1?
Uinmax—
式中
所以
Un(max)=120V,
Dnin=0.333。
(3)
电容
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=5X10-6s,
根据公式:
1
I.
ripple
fVripple
式中取Iripple=0.2A,Vripple=0.07mV,
所以C=1.79卩F。
为稳定纹波电压,放大电容至50卩F。
(4)电感
可使用下列方程组计算电感值:
U)ut=LX
dt
式中U0ut=12V,di取为0.2A,D-=0.333,所以L=0.334mH
第三章正激变换器开环的Matlab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、仿真模型的建立
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
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。
第四章正激变换器闭环PID的Matlab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、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1/5~1/10。
(2)幅频特性曲线应以-20dB的斜率穿越横轴。
(3)相位裕量丫>45°。
2、开环传递函数:
查阅资料得到未补偿的开环传递函数为:
Go(s)=Un^V—,
1+—(RsC+1)
R
3、未补偿的开环传函的Bode图
图7开环传递函数伯德图
从图中可以看出,穿越频率为6.89103Hz,小于要求的最小开关频率
10
符合。
因此必须加入补偿环节
4、补偿函数的确定
1
首先确定补偿后系统的剪切频率fci=-200K=2.5X104Hz,sci=2nfci
8
5
=1.57X10rad/s。
在f=2.5X104Hz处,原伯德图的增益为-22.6dB,相角为-179。
。
取相位裕度为50°,贝U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+ts),作出其伯德图,得到以下比例关系:
所以t=7.33X10-6
52
6.485610s8.848s8848
G3=GXG2=
s
即Kp=8.848,Ki=8848,KD=6.5e-5。
5、补偿后系统的新开环传函Gn
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2.49X104Hz,相位裕度为49°,完全符合工程要求。
6、闭环PID控制的Matlab仿真模型
用Mosfet1和2控制切载过程。
用Timer和Timerl控制切载情况,在t=0.02s处负载由12Q切到24Q,在t=0.03s处负载由24Q切至U120Q,在0.05s处由120Q切到24Q。
输出电压值与12V比较后进入PID,再与三角载波形比较,
图9闭环PID控制电路图
7、闭环PID仿真结果
在Matlab上进行仿真,得到如下的电压波形:
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:
图11调整PID参数后的输出电压波形
图13切载后第一个尖峰
图14切载后第二个尖峰
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200mVo半载输出平均电压为11.99935V,所以负载调整率为119995_1199935
.—35X100%=0.00125%v1%。
满载,半载,1/10载的电流纹波
11.9995
基本相等,均不到1mA。
变压器原边电流为0.1521A,所以效率n
8、补偿后系统的伯德图
图17PID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2.12X104Hz,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。
第五章正激变换器基于Fuzzy控制的Matlab
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、模糊化设计
对误差e、误差变化率de和控制量U的模糊集和域定义如下:
dt
(i)
de模糊集合均为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},e的域为{-1,+1},的域dt
+0.5}。
U的域为{-1,+1}。
de
隶属度函数均选三角函数,input1为e,input2为一,output为U。
dt
de
图18输入一的隶属度函数
dt
2、模糊规则的建立
(1)模糊规则表如下:
\
EC\
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
NB
PB
PB
PM
PM
PS
PS
ZE
NM
PB
PB
PM
PM
PS
ZE
NS
NS
PM
PM
PS
PS
ZE
NS
NS
ZE
PM
PM
PS
ZE
NS
NM
NM
PS
PS
PS
ZE
NS
NS
NM
NM
PM
PS
ZE
NS
NM
NM
NB
NB
PB
ZE
NS
NS
NM
NM
NB
NB
(2)Fuzzy控制器规则库如下:
■I>;npjnqr«iE:
初】耳'e;iihtn:
3jpminiPfi-flj
4门知站NB|trd:
彈tilitZEiiwi歴浑聞fl]
几;mJd曹NWjEiE竝另北:
||*:
sufrfl眄耳丽
=r W2理馬i加iiuxui氐曲]H)=r>m£l5F£|VKl: ir WJtlF^: >: l'|! ? r>wi5r-Ei凶;(r<4i2K^itwii: £dpdit.田|ij)! .r-tiulailixCKMTiIkhLCUipdlRIHs.r<>iMiq圖wfj^nzn码,加;拍砂1峪re;^j卜AfiEjd.WpjrPnnpi竝昭庞Jtien厲^细川严砒叫1| [l工『命祕口耳诃嗣邮;H: ! l! 5“Eo■叭瞰|h«nIMMII43El (1)WtfCfwdrai>w? dP^iiMn-;«Mlnh5ll'1)•EITfgElC-FflM|f¥(12dlE^iltWl;MMl也PH||'1)■臭ffgrl凶;<¥<12BW|i-uUdlJ±^»! l| H7.IfCWIfiF£|曲hHS: 'HW1: gt1r5RE: .Cl] tfdT1W 图19控制器规则库 3、Matlab仿真分析 通过开环的输出电压范围,初步确定对于e, Gain1=65,对于de,Gain2=10-5。 由采样定理, dt 采样频率为开关频率的2倍,即400KHz从而采样时间为2.5X10-6s。 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: Herreid ZL iTin-wrl 图20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型 图21输出电压波形图 <■ V V 图24满载及半载电流纹波图251/10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170mV1/10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7mA1/10载时纹波为0.3mA。 输出基本上符合要求。 图23输出电流波形 第六章总结 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。
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- 激变 及其 控制电路 设计 仿真