正激變換器及其控制電路的設(shè)計(jì)及仿真

1、正激變換器及其控制電路的設(shè)計(jì)及仿真電氣工程張朋13S053081設(shè)計(jì)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：70mV（峰峰值）；5、 效率：78；6、 負(fù)載調(diào)整率：1；7、 滿載到半載,十分之一載到半載紋波200mV。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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了這種功能。2.課題研究內(nèi)容：1、本文首先

2、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(jì)算方法，并進(jìn)行了計(jì)算。2、正激變換器的控制方式主要通過閉環(huán)實(shí)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(jìn)行仿真分析了，最后對得出的結(jié)果進(jìn)行比較。第二章：正激電路的參數(shù)計(jì)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(jì)算方法，并進(jìn)行了計(jì)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(jì)算（1）變比n根據(jù)設(shè)計(jì)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(guān)系得到變比：n=3.3（2） 最

3、大、最小占空比最大占空比Dmax 定義為Dmax =，式中Uin(min) =100-20=80V，Uout =12V，n=3.3，Ud 為整流二極管壓降，所以Dmax =0.495。最小占空比Dmin 定義為Dmin = ，式中Uin(max) =120V，所以Dmin =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=5×10-6 s，根據(jù)公式：C=，式中取Iripple =0.2A，Vripple =0.07mV，所以C=1.79F。為穩(wěn)定紋波電壓，放大電容至50F。（4） 電感可使用下列方程組計(jì)算電感值：Uout =L&

4、#215;，dt=，式中Uout =12V，di取為0.2A，Dmin =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(jìn)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(jì)算結(jié)果，可以對正激電路進(jìn)行建模，其開環(huán)模型如圖2：圖2 正激電路的開環(huán)仿真模型2、仿真結(jié)果在Matlab上進(jìn)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時輸出電壓不能達(dá)到12V，只能穩(wěn)定在11.98V

5、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(jìn)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(jìn)行了分析。1、閉環(huán)穩(wěn)定的條件：（1

6、）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45°。2、開環(huán)傳遞函數(shù)：查閱資料得到未補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)為：G0 (S)=,代入數(shù)據(jù)，得到G0 (S)=。3、未補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)傳函的Bode圖圖7 開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖從圖中可以看出，穿越頻率為6.89103 Hz，小于要求的最小開關(guān)頻率=20000Hz，且以-40dB穿越橫軸，相位裕度僅為1°。三項(xiàng)指標(biāo)都不符合。因此必須加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)。4、 補(bǔ)償函數(shù)的確定首先確定補(bǔ)償后系統(tǒng)的剪切頻率fc1 =2.5×104 Hz，c1 =2

7、fc1 =1.57×105 rad/s。在f=2.5×104 Hz處，原伯德圖的增益為-22.6dB，相角為-179°。取相位裕度為50°，則需補(bǔ)償49°。新補(bǔ)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+s），作出其伯德圖，得到以下比例關(guān)系：，所以=7.33×10-6 。又20lgKp=22.6，所以Kp=8.848。得到G1=8.848（1+7.33×10-6s）（2）PI環(huán)節(jié)取PI環(huán)節(jié)傳函為G2=。（3）補(bǔ)償傳函G3G3=G1×G2=。即Kp=8.848, Ki=8848,

8、 KD=6.5e-5。5、 補(bǔ)償后系統(tǒng)的新開環(huán)傳函GnGn=G0 G3=。其伯德圖如下：圖8 補(bǔ)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2.49×104 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Timer1控制切載情況，在t=0.02s處負(fù)載由12切到24，在t=0.03s處負(fù)載由24切到120，在0.05s處由120切到24。輸出電壓值與12V比較后進(jìn)入PID，再與三角載波形比較，在交點(diǎn)處控制Mosfet通斷 ，從而控制占空比。圖9

9、閉環(huán)PID控制電路圖7、 閉環(huán)PID仿真結(jié)果在Matlab上進(jìn)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(jìn)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11 調(diào)整PID參數(shù)后的輸出電壓波形圖12 滿載電壓紋波波形圖圖13 切載后第一個尖峰 圖14 切載后第二個尖峰圖15 輸出電流波形圖16 滿載輸出電流紋波波形從圖中可以看出，此時輸出電壓基本穩(wěn)定在12V，且無超調(diào)。滿載輸出平均電壓約為11.99

10、95V, 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(fù)載調(diào)整率為×100=0.001251。滿載，半載，1/10載的電流紋波基本相等，均不到1mA。變壓器原邊電流為0.1521A,所以效率=78.9。均符合要求。8、 補(bǔ)償后系統(tǒng)的伯德圖圖17 PID補(bǔ)償后系統(tǒng)的伯德圖從圖中可以看出，補(bǔ)償后系統(tǒng)的剪切頻率為2.12×104Hz，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(jìn)行了模糊

11、控制。首先進(jìn)行了模糊化的設(shè)計(jì)，然后建立了規(guī)則庫，最后針對其Matlab模型進(jìn)行了仿真分析。1、模糊化設(shè)計(jì)對誤差e、誤差變化率和控制量U的模糊集和域定義如下：（1）模糊集合均為NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB，e的域?yàn)?1，+1，的域?yàn)?0.5，+0.5。U的域?yàn)?1，+1。（2）隸屬度函數(shù)均選三角函數(shù)，input1為e，input2為，output為U。例如，變量的隸屬度函數(shù)如下圖所示：圖18 輸入的隸屬度函數(shù)2、模糊規(guī)則的建立（1）模糊規(guī)則表如下：EECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPM

12、PMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB表1(2)Fuzzy控制器規(guī)則庫如下：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，Gain2=10-5 。由采樣定理，采樣頻率 為開關(guān)頻率的2倍，即400KHz，從而采樣時間為2.5×10-6 s。還要加入限幅模塊和零階保持器模塊，然后進(jìn)行仿真。其仿真模型如下圖：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 輸出電壓波形圖圖22 切載前后紋波及切載尖峰電壓波形圖圖23 輸出電流波形圖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，在滿載時紋波為350mV；半載時紋波為170mV；1/10載時紋波為30mV。兩次