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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:70mV(峰峰值);5、 效率:78;6、 负载调整率:1;7、 满载到半载,十分之一载到半载纹波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:n=3.3(2) 最大、最小占空比最大占空比Dmax 定义为Dmax =,式中Uin(min) =100-20=80V,Uout =12V,n=3.3,Ud 为整流二极管压降,所以Dmax =0.495。最小占空比Dmin 定义为Dmin = ,式中Uin(max) =120V,所以Dmin =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=510-6 s,根据公式:C=,式中取Iripple =0.2A,Vripple =0.07mV,所以C=1.79F。为稳定纹波电压,放大电容至50F。(4) 电感可使用下列方程组计算电感值:Uout =L,dt=,式中Uout =12V,di取为0.2A,Dmin =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4 开环纹波电压图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1/51/10。(2)幅频特性曲线应以-20dB的斜率穿越横轴。(3)相位裕量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:G0 (S)=,代入数据,得到G0 (S)=。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6.89103 Hz,小于要求的最小开关频率=20000Hz,且以-40dB穿越横轴,相位裕度仅为1。三项指标都不符合。因此必须加入补偿环节。4、 补偿函数的确定首先确定补偿后系统的剪切频率fc1 =2.5104 Hz,c1 =2fc1 =1.57105 rad/s。在f=2.5104 Hz处,原伯德图的增益为-22.6dB,相角为-179。取相位裕度为50,则需补偿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+s),作出其伯德图,得到以下比例关系:,所以=7.3310-6 。又20lgKp=22.6,所以Kp=8.848。得到G1=8.848(1+7.3310-6s)(2)PI环节取PI环节传函为G2=。(3)补偿传函G3G3=G1G2=。即Kp=8.848, Ki=8848, KD=6.5e-5。5、 补偿后系统的新开环传函GnGn=G0 G3=。其伯德图如下: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2.49104 Hz,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Mosfet 1和2控制切载过程。用Timer和Timer1控制切载情况,在t=0.02s处负载由12切到24,在t=0.03s处负载由24切到120,在0.05s处由120切到24。输出电压值与12V比较后进入PID,再与三角载波形比较,在交点处控制Mosfet通断 ,从而控制占空比。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:图10 初始PID参数下的输出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12 满载电压纹波波形图图13 切载后第一个尖峰 图14 切载后第二个尖峰图15 输出电流波形图16 满载输出电流纹波波形从图中可以看出,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200mV。半载输出平均电压为11.99935V,所以负载调整率为100=0.001251。满载,半载,1/10载的电流纹波基本相等,均不到1mA。变压器原边电流为0.1521A,所以效率=78.9。均符合要求。8、 补偿后系统的伯德图图17 PID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2.12104Hz,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、误差变化率和控制量U的模糊集和域定义如下:(1)模糊集合均为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,e的域为-1,+1,的域为-0.5,+0.5。U的域为-1,+1。(2)隶属度函数均选三角函数,input1为e,input2为,output为U。例如,变量的隶属度函数如下图所示:图18 输入的隶属度函数2、模糊规则的建立(1)模糊规则表如下:EECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB表1(2)Fuzzy控制器规则库如下: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,Gain2=10-5 。由采样定理,采样频率 为开关频率的2倍,即400KHz,从而采样时间为2.510-6 s。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:图20 基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型仿真后得到的电压和电流波形如下:图21 输出电压波形图图22 切载前后纹波及切载尖峰电压波形图图23 输出电流波形图24 满载及半载电流纹波 图25 1/10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170mV;1/10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7mA;1/10载时纹波为0.3mA。输出基本上符合要求。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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